OPTISCHE NETZE ITWissen.info 1
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
1<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Inhalt<br />
Impressum:<br />
Herausgeber: Klaus Lipinski<br />
Optische Netze<br />
Copyrigt 2008<br />
DATACOM-Buchverlag GmbH<br />
84378 Dietersburg<br />
Alle Rechte vorbehalten.<br />
Keine Haftung für die angegebenen<br />
Informationen.<br />
Produziert von Media-Schmid<br />
www.media-schmid.de<br />
3R-Regeneration<br />
Abstimmbarer Laser<br />
ADM, add/drop multiplexer<br />
AON, active optical network<br />
AON, all optical network<br />
APD, avalanche photo diode<br />
ASE, amplified spontaneous emission<br />
AU, administrative unit<br />
AWG, arrayed waveguide grating<br />
Biegekoppler<br />
BPON, broadband passive optical<br />
network<br />
Bragg-Gitter<br />
C-Band<br />
CDWM, coarse wave division multiplex<br />
DCF, dispersion compensating fiber<br />
Detektor<br />
DFB, distributed<br />
feedback laser<br />
DGD, differential group delay<br />
Dichroitischer Filter<br />
Diffundierter Koppler<br />
Dispersionskompensation<br />
DMD, differential mode delay<br />
DSF, dispersion<br />
shifted fiber<br />
DWDM, dense wavelength division<br />
multiplexing<br />
DXC, digital<br />
cross connect<br />
E-Band<br />
E/O-Wandler<br />
EDFA, erbium doped<br />
fiber amplifier<br />
Elektro-Absorptions-Modulator<br />
Elektro-optischer Modulator<br />
FPL, fabry perot laser<br />
FWM, four wave mixing<br />
Vierwellen-Mischung<br />
G.709<br />
G.709-Header<br />
Grooming<br />
Hybrid-CWDM/DWDM<br />
ILD, injection laser diode<br />
ITU-Grid<br />
Koppler<br />
L-Band<br />
Laserdiode<br />
LED, light emitting diode<br />
LH. long haul<br />
LwL-Schalter<br />
MEM, micro electromechanical mirror<br />
Mikroring-Resonator<br />
MSPP, multi service provisioning platform<br />
NAS, network<br />
access station<br />
NDSF, non dispersion shifted fiber<br />
NWDM, narrow WDM<br />
NZDSF, non zero dispersion<br />
shifted fiber<br />
OA, optical amplifier<br />
OADM, optical add/drop multiplexer<br />
O-Band<br />
OBR, optical burst router<br />
OC, optical carrier<br />
OCDM, optical code division multiplexing<br />
OCh, optical channel<br />
ODU, optical data unit<br />
O/E-Wandler<br />
OIF, optical internetworking forum<br />
OM, optical multimode<br />
OMS, optical multiplex section<br />
OMUX, optical multiplexer<br />
ONE, optical network element<br />
ONN, optical network node<br />
Optischer Empfänger<br />
Optischer Filter<br />
Optischer Schalter<br />
Optischer Sender<br />
Optisches Budget<br />
Optisches Fenster<br />
Optisches Netz<br />
Optokoppler<br />
OPTU, optical payload<br />
tributary unit<br />
OPU, optical payload unit<br />
OPVC, optical payload virtual container<br />
OR, optical repeater<br />
OS-Klasse<br />
OSC, optical supervisory channel<br />
OSDM,<br />
optical space division multiplexing<br />
OSNR, optical signal to noise ratio<br />
OTDM<br />
optical time division multiplexing<br />
OTH, optical transport hierarchy<br />
OTN, optical transport network<br />
OTS, optical transmission section<br />
OTU, optical transport unit<br />
OXC, optical crossconnect<br />
PBB-TE, provider backbone bridgingtraffic<br />
engineering<br />
PHASAR, phase array<br />
Photonik-Netz<br />
PIN, positive intrinsic negative<br />
PMD, polarization mode dispersion<br />
POH, path overhead<br />
POL, parallel optical links<br />
PTE, path terminal equipment<br />
Q-Faktor<br />
RCLED, resonant cavity LED<br />
REG, regenerator<br />
ROADM, reconfigurable optical add/drop<br />
multiplexer<br />
Rückstreuverfahren<br />
Rückstreuverfahren<br />
S-Band<br />
SOA, semiconductor optical amplifier<br />
Soliton<br />
Splitter<br />
Sternkoppler<br />
Sub-Wellenlängen-Switching<br />
Taperkoppler<br />
TOADM, tunable OADM<br />
U-Band<br />
ULH, ultra long haul<br />
VCSEL,vertical cavity surface emitting<br />
laser<br />
VLH, very long haul<br />
Wellenleiterdispersion<br />
Wellenlänge<br />
Wellenlängen-Konverter<br />
Wellenlängen-Switching<br />
Wellenlängenmultiplex<br />
WIXC, wavelength interchange<br />
crossconnect<br />
WSXC, wavelength selective crossconnect<br />
WWDM, wide wavelength division<br />
multiplex<br />
XGM, cross gain modulation<br />
XPM, cross phase modulation<br />
Zweiwellen-Mischung<br />
2<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
3R-Regeneration<br />
3R, re-shaping, reamplification,<br />
re-timing<br />
3R-Verfahren:<br />
Reamplification, Reshaping,<br />
Retiming<br />
Abstimmbarer Laser<br />
tunable laser<br />
3R-Regeneration (3R, re-shaping, reamplification,<br />
re-timing)<br />
Unter der 3R-Regeneration versteht man<br />
die Wiederaufbereitung von Signalen in<br />
optischen Übertragungssystemen. Diese<br />
Signalwiederaufbereitung muss aufgrund<br />
der gedämpften und durch die Dispersion<br />
der Lichtwellenleiter verzerrten<br />
Datensignale erfolgen.<br />
Da eine einfache Nachverstärkung des<br />
Lichtsignals den hohen Ansprüchen an<br />
die optische Übertragungstechnik nicht<br />
gerecht wird, spricht man von einer 3R-<br />
Regeneration, was für Reshaping,<br />
Reamplification und Retiming steht. Nur<br />
mit dieser Methode kann ein verfälschtes<br />
Lichtsignal wiederhergestellt werden.<br />
Dabei erfolgt die Wiederherstellung der<br />
Signalform durch das Reshaping, die Dämpfung wird durch das Reamplification<br />
ausgeglichen und das Taktsignal durch ein Retiming stabilisiert.<br />
Abstimmbare Laser werden in WDM- und DWDM-Systemen als Ersatzlaser<br />
eingesetzt. In der DWDM-Technik wird mit hundert und mehr Wellenlängen gearbeitet,<br />
und damit mit ebenso vielen Lasern. Da bei Ausfall eines Lasers die entsprechende<br />
Wellenlänge nicht mehr für die Informationsübertragung zur Verfügung steht und man<br />
auch nicht jeden Laser redundant aufbauen möchte, werden für diesen Zweck<br />
abstimmbare Laser eingesetzt. Diese Laser können über einen Wellenlängenbereich<br />
von 40 nm abgestimmt werden, sodass sie in einem 100-GHz-Raster (0,8 nm)<br />
insgesamt 50 Wellenlängen abdecken können.<br />
3<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
ADM,<br />
add/drop multiplexer<br />
(Add/Drop-Multiplexer)<br />
AON,<br />
active optical network<br />
AON<br />
all optical network<br />
APD,<br />
avalanche photo diode<br />
4<br />
Technologisch handelt es sich um abstimmbare Halbleiter-Laserdioden oder auch um<br />
VCSEL-Laser mit abstimmbarem Hohlraum.<br />
Mittels des Add/Drop-Multiplexers (ADM) können einzelne Kanäle mit niedriger Bitrate<br />
aus einem SDH-Übertragungskanal mit hoher Bitrate herausgenommen bzw.<br />
eingefügt werden. Es handelt sich um eine Art Crossconnector mit geringer Leistung.<br />
Der Add/Drop-Multiplexer kann durch die genaue Festlegung der Lage der von der<br />
PDH-Hierarchie benutzten Übertragungssysteme im SDH-Payload auf diese direkt<br />
zugreifen, ohne dass sie die gesamte Multiplexhierarchie durchlaufen müssen.<br />
Bei den optischen Netzen unterscheidet man zwischen aktiven und passiven<br />
optischen Netzen. Während das aktive optische Netz eine Versorgungsspannung für<br />
die aktiven Komponenten benötigt, basiert das passive optische Netz (PON)<br />
ausschließlich auf passiven optischen Komponenten. Diese Netze werden auch als All<br />
Optical Networks (OAN) bezeichnet.<br />
AON, all optical network<br />
Ein All Optical Network (AON) ist ein optisches Netz ohne O/E-Wandler, das<br />
ausschließlich auf optischen Komponenten basiert. Ein solches Netz ist in aller Regel<br />
ein WDM- bzw. DWDM-Netz mit optischen Zeitmultiplexern (OTDM), optischen Add/<br />
Drop-Multiplexern (OADM) und optischen Crossconnect (OXC) für die Wegwahl und<br />
die Vermittlung. Ein All Optical Network sollte im Kernnetz ohne Transponder arbeiten<br />
und diese in die Knoten im Randbereich verlagern.<br />
AOL-Netze werden Übertragungsraten von 100 Gbit/s und höher haben und im<br />
Zubringerbereich mit einer Wrap-Technik die Zubringersignale wie Gigabit-Ethernet in<br />
die hochbitratigen Datenströme des optischen Kernnetzes einpacken. Man spricht in<br />
diesem Zusammenhang von Digital Wrapping.<br />
Eine Avalanche-Fotodiode ist eine Fotodiode für die Umwandlung von Lichtsignalen in<br />
elektrische Signale, wie sie in den Detektoren von optischen Netzen eingesetzt<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Lawinenfotodiode<br />
ASE, amplified<br />
spontaneous emission<br />
AU, administrative unit<br />
(Verwaltungselement)<br />
AWG<br />
arrayed waveguide grating<br />
Aufbau des Arrayed<br />
Waveguide Grating (AWG)<br />
5<br />
werden. Bei der APD-Diode wird durch Lawinen-Trägervervielfachung (Avalanche-<br />
Effekt) eine höhere Empfindlichkeit erzielt als bei anderen Fotodioden oder PIN-<br />
Dioden. Außerdem kann sie erheblich höhere Datenraten (bis zu 1 Gbit/s) verarbeiten.<br />
Lawinenfotodioden haben ihre spektrale Empfindlichkeit bis zu Wellenlängen von<br />
1.550 nm.<br />
Die Amplified Spontaneous Emission (ASE) ist eine unerwünschte, spontan<br />
auftretende Emission in einem optischen Verstärker (OA). Diese Emission erzeugt<br />
zusätzliches Rauschen und beeinträchtigt dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis.<br />
Begriff aus der Synchronen Digital Hierarchie SDH. Tributary Units (TU), die sich<br />
unmittelbar unter der Hierarchie des STM-1-Rahmens befinden, können nach<br />
bestimmten Kriterien in Gruppen zusammengefasst werden, den so genannten<br />
Tributary Unit Group (TUG). Diese bilden die Administrative Units (AU).<br />
Das Arrayed Waveguide Grating (AWG) gehört ebenso wie das Phase Array<br />
(PHASAR) zu den planaren optischen Filtern, die auf dotiertem Silizium-Oxid basieren.<br />
Bei diesen optischen Komponenten wird das Licht am Eingang des Chips<br />
aufgefächert, vergleichbar mit der Funktion eines Prismas, und durch mehrere<br />
Glasfasern mit geringfügig unterschiedlichen Längen geführt. Durch<br />
Lichtinterferenzen kommt es beim<br />
Zusammenführen der Lichtsignale zur<br />
Auslöschung oder zur Verstärkung<br />
einzelner Wellenlängen. Diese Technik<br />
kann als integrierte Technik angewandt<br />
werden, wobei weitere aktive oder<br />
passive Komponenten auf dem Chip<br />
integriert werden können.<br />
Arrayed Waveguide Gratings können in<br />
WDM-Systemen zum Multiplexen und<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Biegekoppler<br />
bending coupler<br />
BPON, broadband passive<br />
optical network (Passives<br />
optisches<br />
Breitbandnetzwerk)<br />
Bragg-Gitter<br />
(FBG, fiber bragg grating)<br />
6<br />
Demultiplexen sowie zum Ausfiltern von verschiedenen Wellenlängen eingesetzt<br />
werden. AWDs können in Verbindung mit optischen Schaltern zu optischen Add/Drop-<br />
Multiplexern (OADM) integriert werden.<br />
Neben AWDs mit festen Wellenlängen, gibt es auch abstimmbare AWD-Komponenten<br />
bei denen die Laufzeit der einzelnen Wellenlängen durch Temperatur beeinflusst wird.<br />
Wegen der Reflexionen und der unterschiedlichen Brechzahl zwischen Kernglas und<br />
Mantelglas von einer Glasfaser können bei einem gebogenen Lichtwellenleiter nach<br />
Entfernen der Beschichtung Strahlen zentrifugal austreten oder aufgefangen werden.<br />
Soll die Auskopplung permanent erfolgen, wird die zu biegende Faser und die<br />
Anschlussfaser bis auf den Kern abgeschliffen und miteinander verklebt. Auf die<br />
gleiche Weise ist auch eine Einkopplung möglich. Dadurch wird die Meinung,<br />
Glasfaser seien resistent gegen passive Angriffe, zumindest stark relativiert.<br />
BPON ist wie PON eine passive optische Technik, die im Zugangsbereich eingesetzt<br />
wird und mit ATM arbeitet. In dieser PON-Variante werden im Downlink<br />
Übertragungsraten von 622 Mbit/s erreicht, im Uplink 155 Mbit/s.<br />
Diese Geschwindigkeiten eignen sich nur bedingt für die Übertragung von<br />
hochauflösendem Digital-TV, HDTV, besser ist dafür GPON geeignet. Außerdem ist<br />
die Splitrate, die die Anzahl der mit der Zentrale verbundenen Kundensysteme<br />
bestimmt, mit 6:1 relativ gering. Eine höhere Splitrate hätte eine bessere<br />
Bandbreitennutzung zur Folge; für den angeschlossenen Kunden allerdings auch<br />
eine geringere Datenrate.<br />
Um Video übertragen zu können hat die ITU in den BPON-Spezifikationen eine<br />
separate Wellenlänge spezifiziert.<br />
Ein Bragg-Gitter ist ein optisches Gitter, das als optisches Filter arbeitet. Das Bragg-<br />
Gitter entsteht durch Veränderung der Struktur des Kernmaterials von Glasfasern.<br />
Dabei werden mit einem ultravioletten Hochleistungslaser Gitterstrukturen als Zonen<br />
mit unterschiedlichen Brechungsindizes in das Kernglas eingebracht. Diese wirken als<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Filterfunktion eines<br />
Bragg-Gitters<br />
C-Band<br />
C band<br />
CWDM-Verfahren<br />
CDWM, coarse wave<br />
division multiplex<br />
CDWM-Verfahren<br />
7<br />
Beugungsgitter. In Abhängigkeit von dem<br />
Abstand der Gitter, wird eine bestimmte<br />
Wellenlänge reflektiert - das ist die Bragg-<br />
Wellenlänge -, während alle anderen<br />
Wellenlängen das Gitter passieren<br />
können. Die Auskopplung der einzelnen<br />
Wellenlängen erfolgt über zusätzliche<br />
Auskoppelelemente.<br />
Ein Bragg-Gitter kann auch über planare<br />
Wellenleiterschichten aus Silizium-Oxid<br />
(SiO2) oder Germanium-Oxid aufgebaut<br />
werden.<br />
Ein solcher passiver optischer Filter zeichnet sich durch eine hohe Wellenlängen-<br />
Selektivität aus und wird in optischen Add/Drop-Multiplexern (OADM) eingesetzt.<br />
In optischen Netzen wird das C-Band als konventionelles (für C, Conventional) Band<br />
bezeichnet, dessen Wellenlänge zwischen 1.530 nm und 1.560 nm liegt.<br />
Das CWDM-Verfahren ist ein Wellenlängenmultiplex für Stadtnetze und<br />
Anschlussnetze. Die<br />
Übertragung erfolgt in 18<br />
Kanälen mit Wellenlängen<br />
zwischen 1.270 nm und<br />
1.610 nm mit einem<br />
Kanalraster von 20 nm. Die<br />
Kanalbreite selbst beträgt<br />
13 nm, die verbleibenden 7<br />
nm sind als<br />
Sicherheitsabstand zum<br />
nächsten Kanal und als<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
DCF, dispersion<br />
compensating fiber<br />
DCF-Faser<br />
Detektor<br />
photodetector<br />
8<br />
Toleranz für die Laserdioden. Die Übertragungsrate liegt bei 2,5 Gbit/s pro Kanal, so<br />
dass mit einem Vierkanal-Multiplexer maximale Übertragungsraten von 10 Gbit/s,<br />
beispielsweise für 10GbE, möglich sind.<br />
Bei CWDM, das in der ITU-Empfehlung G.694.1 beschrieben ist, werden VCSEL-Laser<br />
als schmalbandige Emissionsquellen eingesetzt. Der Signal-Rauschabstand zwischen<br />
den einzelnen Kanälen ist mit mindestens 25 dB angegeben.<br />
Der Einsatz von CWDM mit Gradientenfasern sieht den Wellenlängenbereich im<br />
unteren optischen Fenster vor. Dabei beträgt der Kanalabstand 25 nm, die vier<br />
Wellenlängen liegen ab 780 nm aufwärts. CWDM-Strecken können als Punkt-zu-<br />
Punkt-Verbindungen über Entfernungen bis 50 km realisiert werden. Der Übergang<br />
von der CWDM-Technik zur DWDM-Technik kann mittels Hybrid-CWDM/DWDM<br />
erfolgen.<br />
Die Dispersion<br />
Compensating Fiber (DCF)<br />
wird zur<br />
Dispersionskompensation<br />
von konventionellen<br />
Glasfasern eingesetzt. Werden konventionelle Fasern im 1.550-nm-Bereich<br />
verwendet, muss bei längeren Strecken die auftretende positive Dispersion<br />
kompensiert werden. Die DCF-Faser hat eine negative Dispersion von -100 ps/nm/km,<br />
mit der die positive Dispersion einer konventionellen Faser mit 15 ps/nm/km im<br />
Längenverhältnis von 1:6 bis 1:7 kompensiert werden kann. Durch den Einsatz der<br />
DCF-Faser können auch konventionelle Fasern über längere Strecken eingesetzt<br />
werden.<br />
Unter einem Detektor versteht man in der Lichtwellenleitertechnik das<br />
Empfangselement, mit dem das übertragene Licht in elektrische Signale gewandelt<br />
wird. Man unterscheidet dabei zwischen APD-Dioden, PIN-Dioden, Fototransistoren<br />
und Fotodioden.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
DFB-Laser<br />
DFB, distributed<br />
feedback laser<br />
9<br />
Da es keine Fotodioden gibt, die das gesamte Wellenlängenspektrum von 600 nm bis<br />
1.600 nm abdecken, bestimmen die Materialeigenschaften der Detektoren den<br />
Wellenlängenbereich. Man unterscheidet vom Halbleitermaterial her zwischen<br />
Silizium, Germanium und Indium Gallium Arsenid.<br />
Die Silizium-Detektoren (Si) haben einen Spektralbereich von 400 nm bis 1.100 nm,<br />
mit einem Maximum bei 850 nm, also exakt die Wellenlänge des ersten optischen<br />
Fensters von Lichtwellenleitern. Diese Detektoren werden darüber hinaus auch für<br />
Plastikfasern eingesetzt mit den Fenstern um 650 nm und 780 nm.<br />
Die Germanium-Detektoren (Ge) haben einen Spektralbereich zwischen 800 nm und<br />
1.600 nm, mit einem Maximum bei 1.550 nm. Bedingt durch einen hohen Rauschanteil<br />
sind diese Detektoren mit -60 dBm relativ unempfindlich.<br />
Bei den Indium-Gallium-Arsenid-Detektoren (InGaAs) liegt das Rauschen dagegen bei<br />
etwa -90 dBm. Sie decken den spektralen Bereich zwischen 700 nm und 2.000 nm ab<br />
und haben ein wenig ausgeprägtes Maximum zwischen 1.300 nm und 1.700 nm.<br />
Ein Distributed Feedback Laser (DFB) zeichnet sich durch seine extrem hohe<br />
spektrale Reinheit aus, was sich in einer sehr geringen spektralen Breite des<br />
Laserlichtes widerspiegelt. Erreicht man mit normalen Laserdioden Spektralbreiten von<br />
bis zu 1 nm, so erreichen DFB-Laser Spektralbreiten von nur 0,1 nm.<br />
Diese hohe spektrale Reinheit schlägt sich in einer geringeren chromatischen<br />
Dispersion innerhalb der Monomodefaser nieder, was wiederum in einer wesentlichen<br />
Erhöhung der überbrückbaren Entfernungen resultiert. So können mit DFB-Lasern bei<br />
direkter Modulation Entfernungen von 100 km überbrückt werden, bei Datenraten von<br />
2,5 Gbit/s. Bei Übertragungsraten von 10 Gbit/s reduziert sich die Entfernung auf<br />
einige wenige Kilometer. Bei externer Modulation, bei der der DFB-Laser mit<br />
konstantem Ausgangslicht arbeitet und die Modulation über eine Modulationseinheit<br />
erfolgt, die zwischen den DFB-Laser und dem Lichtwellenleiter geschaltet ist, erhöhen<br />
sich die Geschwindigkeitswerte ca. um den Faktor 10, da sich durch die externe<br />
Modulation die Bedingungen für die chromatische Dispersion verbessern. Die<br />
Ausgangsleistung von DFB-Lasern liegt zwischen 1 mW (0 dBm) und 10 mW.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
DGD, differential group<br />
delay (Differenzielle<br />
Gruppenlaufzeit)<br />
Dichroitischer Filter<br />
dichroitic filter<br />
Beispiele für dichroitische<br />
Filterkurven<br />
10<br />
DFB-Laser werden in optischen Netzen eingesetzt, aber auch bei Gigabit-Ethernet<br />
(GbE) mit überbrückbaren Entfernungen von 10 km.<br />
Bei der differenziellen Gruppenlaufzeit handelt es sich um eine Laufzeit einer<br />
Frequenzgruppe in Vierpolen. Die Gruppenlaufzeit spielt in der Übertragungstechnik<br />
bei optischen Übertragungssystemen eine Rolle, da in Lichtwellenleitern in<br />
differenzierbaren Wellenlängengruppen Signalverfälschungen durch Verzögerungen<br />
auftreten.<br />
Der Begriff Dichroismus kommt aus dem Griechischen und bedeutet in der Physik die<br />
Zweifarbigkeit von Kristallen beim Lichtdurchgang. Bei den dichroitischen Filtern<br />
handelt es sich um Filter für die Farbtrennung, die auf dielektrischen Interferenzen<br />
basieren. Diese optischen Filter, die in der optischen Übertragungstechnik, in Displays<br />
und in Projektoren eingesetzt werden, arbeiten absorptionsfrei, haben eine hohe<br />
Lichtdurchlässigkeit und eine<br />
ausgezeichnete<br />
Farbgenauigkeit. Ihre<br />
Trennschärfe ist sehr hoch und<br />
erreicht ca. 80 %<br />
Durchlässigkeit bei einer<br />
Wellenlängenänderung von<br />
wenigen als Nanometern.<br />
Dichroitische Filter gibt es als<br />
Tiefpässe, Hochpässe oder<br />
Bandpässe.<br />
Da dichroitische Filter immer<br />
nur eine Farbe aus dem Licht<br />
ausfiltern, werden in der<br />
Projektionstechnik für die<br />
Erzeugung der drei<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Diffundierter Koppler<br />
diffused coupler<br />
Dispersionskompensation<br />
dispersion compensation<br />
DMD<br />
differential mode delay<br />
DSF-Faser<br />
DSF, dispersion<br />
shifted fiber<br />
11<br />
Primärfarben (RGB) drei dichroitische Filter benötigt, wobei der mittlere<br />
Wellenlängenbereich für Grün durch ein Bandpass-Filter realisiert wird.<br />
Bauelement zum Zusammenführen oder Aufteilen der Strahlung in Lichtwellenleitern.<br />
Im Gegensatz zu bikonischen Taperkopplern und Biegekopplern sind die Verluste<br />
(Dämpfung) beim diffundierten Koppler sehr klein. Hergestellt werden diffundierte<br />
Koppler durch Eindiffundieren von Rinnen in ein Glassubstrat, in denen dann die<br />
Moden geführt werden.<br />
In Lichtwellenleitern führt die Dispersion zu einer unerwünschten Verbreiterung der<br />
Signale. Dieses Zerfließen wird durch die unterschiedlichen Laufzeiten der spektralen<br />
Impulskomponenten verursacht und hat eine Reduzierung der Übertragungslänge zur<br />
Folge. Kompensiert werden kann dieser Effekt durch Dispersionskompensations-<br />
Komponenten, die den optischen Verstärkern und Regeneratoren vor- und<br />
nachgeschaltet werden und dem Dispersionsverhalten entgegenwirken. Solche<br />
Komponenten sind speziell dotierte Glasfasern bei denen der Nulldurchgang der<br />
chromatischen Dispersion verschoben ist. Zu nennen sind die DSF-Faser, die DCF-<br />
Faser und die NZDSF-Faser. Ein anderes Verfahren arbeitet mit elektronischer<br />
Kompensation, bei dem Laufzeitfilter die Dispersion kompensieren.<br />
Differential Mode Delays (DMD) sind Signalverfälschungen, die bei der Übertragung<br />
auf Gradientenindex-Profilfasern entstehen können und zwar durch Teilanregungen<br />
von Lasern. Das Signal wird durch die Profildispersion, die auf produktionstechnische<br />
Toleranzen bei der Herstellung der Lichtwellenleiter zurückzuführen ist, verformt.<br />
Übertragene Impulse werden dadurch breiter und flacher und führen dadurch zu<br />
Verzögerungen.<br />
Um Signalverfälschungen zu kompensieren, die bei der Übertragung über längere<br />
Lichtwellenleiterstrecken durch optische Verstärker und Dispersion entstehen, wurden<br />
Glasfasern mit spezieller Dotierung entwickelt.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Dispersionsverlauf<br />
einer DSF-Faser<br />
DWDM-Technik<br />
DWDM, dense wavelength<br />
division multiplexing<br />
12<br />
Die DSF-Faser ist eine von der ITU<br />
in der Empfehlung G.653<br />
standardisierte Faser mit<br />
spezieller Dotierung, bei der der<br />
Nulldurchgang der chromatischen<br />
Dispersion in das dritte optische<br />
Fenster bei 1.550 nm verschoben<br />
wurde. Die verbleibende<br />
Dispersion liegt bei der DSF-Faser<br />
annähernd bei 0, also weit<br />
unterhalb von den 15 ps/nm/km<br />
einer konventionellen Faser.<br />
Dank der verbesserten Dispersion<br />
wird die Impulsverbreiterung in<br />
diesem für den Einsatz von EDFA-Verstärkern geeigneten Fenster reduziert. Die<br />
Streckenlänge und die Übertragungsfrequenz können dadurch erhöht werden.<br />
DWDM ist ein optisches Wellenlängenmultiplex mit der enormen Leistungsfähigkeit<br />
von mehreren Tbit/s.<br />
Bei der DWDM-Technik wird der Wellenlängenbereich zwischen 1.260 nm und 1.675<br />
nm für die Übertragung im Weitverkehrsbereich benutzt, der in drei<br />
Wellenlängenbänder, dem S-Band, C-Band und L-Band unterteilt ist. Als<br />
Grundwellenlänge wird die Wellenlänge des optischen Fensters bei 1.550 nm<br />
verwendet, auf die bis zu 160 unterschiedliche Wellenlängen symmetrisch<br />
aufmoduliert werden. Diese werden dann über eine Glasfaser übertragen und<br />
empfangsseitig durch optische Filter wieder voneinander getrennt.<br />
Die Kanalabstände betragen 0,8 nm. Der 0,8-nm-Abstand entspricht einem 100-GHz-<br />
Spacing zwischen zwei Kanälen und wird als ITU-Grid bezeichnet. Weitere<br />
standardisierte Kanalabstände betragen 50 GHz, 25 GHz und 12,5 GHz, was<br />
Wellenlängenabständen von 0,4 nm, 0,2 nm oder 0,1 nm entspricht. Marktgängig sind<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Wellenlängenraster<br />
bei DWDM<br />
13<br />
derzeit Systeme mit 16 bis<br />
64 Kanälen. Für die<br />
Reichweite hat die ITU<br />
Entfernungen optische<br />
SDH-Schnittstellen von 80<br />
km, 120 km und 160 km<br />
spezifiziert, bekannt als<br />
Long Haul, Very Long Haul<br />
(VLH) und Ultra Long Haul<br />
(ULH).<br />
Die Voraussetzungen für die<br />
DWDM-Technik wurden<br />
durch die moderne<br />
Halbleitertechnologie<br />
geschaffen, die DFB-Laser<br />
mit einer geringen<br />
spektralen Bandbreite zur<br />
Verfügung stellt, damit<br />
mehrere<br />
Übertragungskanäle in<br />
einem optischen Fenster<br />
realisiert werden können.<br />
Darüber hinaus ermöglicht die moderne Kopplertechnik deutlich geringere<br />
Kanalabstände, weil sie steile Filterkurven und hohe Sperrdämpfungen aufweist. Auch<br />
bei den Faserverstärkern (OFA und EDFA) wurden wesentliche<br />
entwicklungstechnische Fortschritte erzielt.<br />
In der praktischen Anwendung kann die DWDM-Technik unidirektional oder<br />
bidirektional arbeiten, also nur in einer Richtung oder auch in beiden Richtungen. Es<br />
können bis zu vierzig OC-48 mit 2,488 Gbit/s gleichzeitig über eine Glasfaser<br />
übertragen, was einer Übertragungsgeschwindigkeit von 100 Gbit/s entspricht. Dabei<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
DXC, digital<br />
cross connect<br />
Digital<br />
Cross Connect (DXC)<br />
E-Band<br />
E band<br />
E/O-Wandler<br />
E/O converter<br />
14<br />
kann die DWDM-Technik unidirektional oder bidirektional arbeiten, also nur in einer<br />
Richtung oder auch in beiden Richtungen. Im Rahmen der 10-Gigabit-Ethernet-<br />
Technologie rücken Übertragungswerte von 1 Tbit/s in den Bereich des Möglichen,<br />
wenn man davon ausgeht, dass man 80 Kanäle mit jeweils 10 Gbit/s überträgt.<br />
Ein Digital<br />
Crossconnect (DXC)<br />
ist eine<br />
Netzwerkkomponente<br />
in SDH-Netzen. Ein<br />
DXC arbeitet als<br />
blockierungsfreies<br />
Vermittlungssystem<br />
zwischen zwei STM-Schnittstellen.<br />
Über eine solche SDH-Komponente, die im Kernnetz eingesetzt wird, können STM-<br />
Schnittstelen und E-Signale nach Art eines Kreuzschienenverteilers geschaltet<br />
werden. So kann der DXC die virtuellen Container in einem synchronen<br />
Transportmodul STM-n umsortieren oder auch in andere STM-n übertragen.<br />
In optischen Netzen sind die Übertragungsbereiche von der ITU in G.694 definiert.<br />
Es gibt sechs Wellenlängenbereiche. Das E-Band liegt zwischen dem O-Band und<br />
dem S-Band mit Wellenlängen zwischen 1.360 nm und 1.460 nm.<br />
Elektro-optische Wandler wandeln elektrische Signale in Lichtsignale um. Für diese<br />
Umwandlung werden in der Kommunikationstechnik Leuchtdioden und Laser<br />
verwendet. Die Umwandlung der elektrischen Signale in Lichtsignale kann direkt im<br />
Laser bzw. der Leuchtdiode erfolgen, sie kann aber auch indirekt über einen externen<br />
Modulator vorgenommen werden. Im ersten Fall spricht man von direkter Modulation<br />
des optischen Signals, im anderen Fall von externer Modulation. Bei diesem Verfahren<br />
erhält der Modulator vom Laser einen Lichtstrahl mit konstanter Energie, der dann im<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
E/O-Wandlung mit direkter<br />
und externer Modulation<br />
EDFA-Verstärker<br />
EDFA, erbium doped<br />
fiber amplifier<br />
Verstärkungsverhalten<br />
eines EDFA-Verstärkers<br />
15<br />
Modulator mit dem<br />
elektrischen Signal moduliert<br />
wird.<br />
Nach dem Verfahren der<br />
externen Lichtmodulation<br />
arbeitet auch der Elektro-<br />
Absorptions-Modulator (EA).<br />
Als Modulationstechniken<br />
kommen ausschließlich digital<br />
arbeitende Modulationsverfahren<br />
zum Einsatz. Neben<br />
der On/Off-Modulation - On<br />
steht für Licht an und entspricht beispielsweise einer logischen “1” und Off der<br />
logischen “0” - setzen verschiedene Hersteller von optischen Sendern auf die<br />
Pulsbreitenmodulation (PWM) und die Pulsfrequenzmodulation (PFM). Darüber<br />
hinaus werden auch Kombinationen von mehreren Modulationsverfahren benutzt.<br />
Ein EDFA-Verstärker ist eine passive Komponente zur Verstärkung von Lichtsignalen,<br />
wie sie bei DWDM auftreten. Es handelt sich dabei um eine mit dem Element Erbium<br />
dotierte Glasfaser von einigen<br />
Meter Länge, die sich wie eine<br />
Laserdiode verhält und durch<br />
optische Signale stimuliert wird.<br />
Um die entsprechenden<br />
Energieniveaus in der aktiven<br />
Faser zu realisieren, wird über<br />
einen Pumplaser, der bei 980 nm<br />
oder 1.480 nm arbeitet, der Faser<br />
optische Energie zugeführt und<br />
sie auf ein höheres Energieniveau<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Elektro-Absorptions-<br />
Modulator<br />
EA, electro absorptions<br />
modulator<br />
Aufbau des Elektro-<br />
Absorptions-Modulators<br />
Elektro-optischer<br />
Modulator<br />
E/O, electro-optical<br />
modulator<br />
16<br />
gebracht. Wenn Signalphotonen eintreffen, fallen die Elektronen auf das<br />
ursprüngliche Energieniveau zurück, wobei sie wiederum Photonen erzeugen, die die<br />
eintreffenden Photonen verstärken. EDFAs sind breitbandige optische Verstärker, die<br />
im Wellenlängenbereich von 1.530 nm bis 1.565 nm arbeiten, was einer Bandbreite<br />
von etwa 4.000 GHz entspricht. EDFAs bieten eine direkte Verstärkung des gesamten,<br />
aus multiplen Wellenlängen zusammengesetzten optischen Signals. Dabei ist es<br />
unerheblich, ob vier, acht, sechzehn oder vierzig unterschiedliche Wellenlängen am<br />
Eingang des optischen Verstärkers anliegen. Mittels EDFA-Verstärker können<br />
Distanzen von 120 km und mehr überbrückt werden.<br />
Bei E/O-Wandlern hat die externe Modulation von Laserlicht gegenüber der direkten<br />
Modulation einige Vorteile, die sich in der chromatischen Dispersion und damit in den<br />
möglichen Übertragungsraten auswirken. Bei der externen Modulation wird dem Laser<br />
eine Modulationseinheit nachgeschaltet, die<br />
integraler Bestandteil der Laserkomponente<br />
sein kann. Eine solche Komponente ist der<br />
Elektro-Absorptions-Modulator, der aus<br />
ähnlichem Material besteht wie die<br />
Laserdiode.<br />
Der Elektro-Absorptions-Modulator wird<br />
durch elektrischen Strom gesteuert und lässt<br />
je nach Polarität der angelegten Spannung<br />
das Laserlicht passieren oder sperrt es bei umgekehrter Polarität. Der vom Laser<br />
abgestrahlte Lichtpegel bleibt dabei konstant; die Ausgangspegel des Modulators<br />
ändert sich hingegen im Rhythmus der Polaritätsänderung.<br />
Bei der Modulation von Laserlicht unterscheidet man zwischen der direkten<br />
Modulation und der externen. Für die externe Modulation, die der Laserdiode<br />
nachgeschaltet ist, gibt es elektro-optische Modulationseinheiten, die auf<br />
Absorptionsbasis oder auf einem Verfahren der Wellensubstitution arbeiten.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
FPL-Laser<br />
FPL, fabry perot laser<br />
FWM<br />
four wave mixing<br />
Vierwellen-Mischung<br />
17<br />
Der elektro-optische Modulator basiert auf der Veränderung des Brechungsindexes.<br />
Bei diesem Verfahren ändert sich der Brechungsindex durch Anlegen eines<br />
elektrischen Feldes an das dotierte Material. Dies hat zur Folge, dass sich die<br />
Phasenlage des Laserlichts verändert, was bedeutet, dass sich die Lichtwellen<br />
verschieben. Treffen zwei Lichtwellen mit der gleichen Phasenlage aufeinander, dann<br />
addieren sich die Pegel beider Wellen, wodurch die Lichtintensität am Ausgang höher<br />
wird. Sind die Phasenlagen allerdings entgegengesetzt, löschen sie sich gegenseitig<br />
aus.<br />
Fabry-Perot-Laser sind Laserdioden, die<br />
ihre maximale Leistung bei<br />
Wellenlängen von 1.300 nm haben. Die<br />
spektrale Breite ihrer Strahlung liegt bei<br />
7 nm. Fabry-Perot-Laser reduzieren<br />
durch ihre hohe spektrale Reinheit den<br />
Einfluss der chromatischen Dispersion<br />
und kommen u.a. bei 10-Gigabit-<br />
Ethernet zum Einsatz.<br />
Der Fabry-Perot-Laser besteht aus zwei<br />
speziell konstruierten<br />
Halbleiterscheiben, die einander gegenüber liegen und ein anderes Material<br />
einschließen, das den aktiver Layer bzw. den Laser Cavity bildet. Der elektrische<br />
Strom fließt zwischen den beiden Halbleiterscheiben, wodurch in dem aktiven Layer<br />
Licht emittiert wird.<br />
Die Vierwellen-Mischung ist ein Verfahren zur optischen Verstärkung. Bei diesem<br />
Verfahren stehen drei Lichtsignale in Wechselwirkung zueinander.<br />
Zwei von ihnen, ein Signalstrahl und ein Pumpstrahl, erzeugen ein virtuelles Abbild,<br />
das von einem zweiten Pumpstrahl ausgelesen wird. Die Energie des zweiten<br />
Pumpstrahls wird als vierte Welle in die Richtung des Signalstrahls reflektiert.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Prinzip der<br />
Vierwellen-Mischung<br />
G.709<br />
G.709<br />
G.709-Header<br />
(G.709 header)<br />
18<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong><br />
Das Verfahren, das mit einem nichtlinearen Kerr-Effekt<br />
arbeitet, wird in optischen Netzen bei DWDM<br />
eingesetzt.<br />
Der ITU-Standard G.709 führt die Bezeichnung<br />
“Network Node Interface for the Optical Transport<br />
Network” und definiert die Schnittstelle sowie den<br />
Transportdienst für die Nutzdaten über die<br />
standardisierte SDH-Hierarchie und OTH-Hierarchie.<br />
Die ITU hat für das optische Transportnetz (OTN)<br />
Schnittstellen definiert. Dazu gehört das Network Node<br />
Interface (NNI), die Schnittstelle zum OTN, die<br />
Bestandteil der Empfehlung G.709 ist.<br />
In dieser Schnittstelle werden die drei Layer des<br />
optischen Transportnetzes abgebildet: Die<br />
physikalische, die die Sektionen zwischen zwei<br />
optischen Systemkomponenten darstellt, die Multiplexebene mit den Transport- und<br />
Nutzdaten, wie OPU, ODU und OTU, und der oberste Layer mit den verschiedenen<br />
Nutzdaten für Ethernet, ATM, SDH usw.<br />
In G.709 werden die Übertragungsraten für die Optical Transport Units (OTU) definiert,<br />
ebenso wie der G.709-Header, der aus den drei Datenfeldern für den Overhead, die<br />
Nutzdaten und die Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) besteht.<br />
Der Header von G.709 hat eine gewisse Ähnlichkeit mit den Headern von SDH und<br />
Sonet. Er besteht aus den drei Datenfeldern für den Overhead, den Nutzdaten und<br />
der Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC).<br />
Das Datenfeld für den Overhead ist 16 Byte lang und unterstützt betriebliche,<br />
administrative und wartungsorientierte Funktionen, entsprechend den OAM-<br />
Funktionen für Operation, Administration, and Maintenance. Das Datenfeld für die<br />
Nutzdaten ist 3.808 Byte lang und wird gefolgt von dem 256 Byte langen Datenfeld für
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Grooming<br />
Hybrid-CWDM/DWDM<br />
hybrid CWDM/DWDM<br />
ILD-Laser<br />
ILD, injection laser diode<br />
ITU-Grid<br />
ITU grid<br />
19<br />
Forward Error Correction (FEC), die mit dem Reed-Solomon-Code arbeitet. Bei hohen<br />
Datenraten von 10 Gbit/s und darüber stellt die Vorwärts-Fehlerkorrektur zusätzliche<br />
codierte Daten bereit, die eine Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch den<br />
Empfänger gewährleisten.<br />
Zur Verbesserung der Effizienz in optischen Netzen werden Verkehrströme<br />
zusammengefasst. Ein solche Zusammenfassung wird als Grooming bezeichnet und<br />
sorgt dafür, dass beispielsweise die Strecken mit Wellenmultiplex (WDM) besser<br />
ausgelastet werden, was zur Reduzierung der Netzkosten beiträgt.<br />
Zwischen CWDM und DWDM besteht übertragungstechnisch und kostenmäßig eine<br />
Lücke, die mit Hybrid-CWDM/DWDM geschlossen wird. Während über CWDM nur<br />
wenige Übertragungsstrecken parallel aufgebaut werden können, die Technik aber<br />
vergleichsweise preiswert ist, können über die kostenintensivere DWDM-Technik<br />
mehrere hundert Übertragungsstrecken realisiert werden. Mit der hybriden Technik<br />
CWDM/DWDM geht man einen optionalen Weg, der eine Migration von der<br />
preiswerteren CDWM- zur umfassenderen DWDM-Technik vorsieht.<br />
Die ILD-Laserdiode wird auch als Halbleiter-Laserdiode bezeichnet, weil sie einen<br />
speziell gedopten Übergang zwischen einer P-Schicht und einer N-Schicht für die<br />
kohärente Lichtstrahlung benutzt. Durch das Dopen werden bei Spannungszuführung<br />
Photonen emittiert, die die Lichtstrahlung erzeugen. Der Lasereffekt wird durch eine<br />
Rückkopplungsschleife erzeugt.<br />
Die ITU hat in der Empfehlung G.692 Wellenlängen- und Kanalabstände für WDMund<br />
DWDM-Systeme definiert, das so genannte ITU-Grid. Nach dieser Definition hat<br />
das ITU-Grid zwischen zwei Wellenlängen Sicherheitsabstände von 0,8 nm. Der 0,8-<br />
nm-Abstand entspricht einem 100-GHz-Spacing.<br />
Es gibt allerdings Entwicklungen die mit dem halben oder sogar mit einem Viertel des<br />
Wellenlängenabstandes, also mit 0,4 nm oder sogar mit 0,2 nm arbeiten.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Koppler<br />
fiber coupler<br />
Bikonischer<br />
Taperkoppler<br />
20<br />
Koppler sind elektronische<br />
Bauelemente zur galvanischen<br />
Trennung und zum<br />
Isolationsschutz von Signalen.<br />
Die Signaltrennung kann<br />
optisch erfolgen über<br />
Optokoppler, sie kann aber<br />
auch transformatorisch,<br />
kapazitiv oder magnetisch mit<br />
einem Magnetkoppler<br />
erfolgen. Koppler dienen in der Lichtwellenleiter-Technik zum Aufteilen oder<br />
Zusammenführen der die Informationen enthaltenden Infrarotstrahlung, sie arbeiten in<br />
aller Regel unidirektional.<br />
Einfache Koppler zum Abzweigen oder Einspeisen sind z.B. Fused Coupler,<br />
Biegekoppler, diffundierte Koppler und bikonischer Taperkoppler. Für die Aufteilung<br />
oder Zusammenführung einer größeren Anzahl von Glasfasern werden Sternkoppler<br />
benutzt. Der Koppler hat einen Eingang und n Ausgänge.<br />
Unidirektionale Koppler und Splitter dienen der Realisierung von Verzweigungen<br />
innerhalb eines Lichtwellenleiternetzwerkes. Die wesentlichen Parameter sind:<br />
Eingangs-Signalverlust, Tap-Verlust und Richtwert.<br />
In Verbindungen mit Splittern werden Koppler als Multi-Taps bezeichnet. Sie<br />
ermöglichen den Anschluss einer größeren Anzahl von Lichtwellenleitern und können<br />
2, 4 oder 8 Ports haben. Durch den Einsatz der Splitter wird verhindert, dass Signale,<br />
die von einer Station gesendet werden, an den Port eines anderen Gerätes gelangen.<br />
Die optische Leistung teilt sich auf entsprechend der Anzahl der Ausgänge, wodurch<br />
eine wesentliche Dämpfungserhöhung stattfindet. Die Kopplerdämpfung errechnet<br />
sich aus der Einfügungsdämpfung des Kopplers zuzüglich 10 log(n). Die<br />
Einfügungsdämpfung ist abhängig von der Anzahl der Ausgänge und liegt zwischen 2<br />
dB und 5 dB, die gesamte Kopplerdämpfung bei 8 dB (bei 4 Ausgängen) und 23 dB<br />
(bei 64 Ausgängen).<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
L-Band<br />
(L band)<br />
Laserdiode<br />
LD, laser diode<br />
Spektralverteilung von<br />
Laser und LED<br />
21<br />
In optischen Netzen sind die Übertragungsbereiche von der ITU in G.694 definiert. Das<br />
L-Band liegt oberhalb des C-Bandes und hat Wellenlängen zwischen 1.560 nm und<br />
1.620 nm.<br />
Laserdioden, auch Halbleiterlaser genannt,<br />
sind elektronische Bauelemente für die<br />
optische Übertragungstechnik. Sie<br />
bestehen aus dotierten Halbleiterschichten<br />
und dienen der Erzeugung von<br />
Lichtsignalen, die in den Lichtwellenleitern<br />
die Übertragung übernehmen. In<br />
Laserdioden wird die stimulierte Emission<br />
zur Lichtverstärkung eingesetzt. Sie<br />
modulieren das Lichtsignal in der Intensität<br />
und Form einer Amplituden-, Frequenzoder<br />
Phasenmodulation, mit denen<br />
Übertragungsfrequenzen von etwa 10 GHz<br />
erreicht werden.<br />
Laserdioden haben gegenüber LEDs eine<br />
wesentlich höhere Ausgangsleistung, die über 5 mW liegt, und sind daher für lange<br />
Übertragungsstrecken besser geeignet. Sie erzeugen ein kohärentes Licht mit einer<br />
spektralen Breite von nur 1 nm, im Falle des DFB-Lasers beträgt die spektrale Breite<br />
sogar nur 0,1 nm. Die Abstrahlfläche von 5 µm und der geringe Abstrahlwinkel sind<br />
ideal für den Einsatz in Verbindung mit Monomodefasern.<br />
Die Modulationsfrequenzen können 10 GHz betragen, die Anstiegszeit liegt bei 10 ps,<br />
die Lebensdauer ist mit 10.000 Stunden wesentlich geringer als die von LEDs.<br />
Nachteilig sind der höhere Schaltungsaufwand gegenüber LEDs sowie die<br />
Temperaturabhängigkeit und die Empfindlichkeit gegenüber Rückstreuungen.<br />
Für das optische Fenster bei 850 nm werden VCSEL-Laser eingesetzt, bei 1.300 nm<br />
kommen FPL-Laser zum Einsatz.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
LED<br />
light emitting diode<br />
Leuchtdiode<br />
LH<br />
long haul<br />
22<br />
Lumineszenzdioden verwenden Halbleiterkristalle wie Gallium-Arsenid (GaAs), um<br />
elektrische Signale in Lichtsignale zu wandeln. Dabei wird die Grenzschicht wie bei<br />
einer normalern Diode mit freien Ladungsträgern überschwemmt, die ihre Energie in<br />
Form von Licht abgeben.<br />
Leuchtdioden werden ebenso wie Laserdioden in der Kommunikation als Lichtquelle<br />
für die Übertragung in optischen Medien benutzt, darüber hinaus in LED-Displays.<br />
Da die Abstrahlfläche von LEDs zwischen 50 µm und 100 µm liegt, werden sie primär<br />
in Verbindung mit Multimodefasern eingesetzt. LEDs auf der Halbleiterbasis Gallium-<br />
Arsenid strahlen auf einer Wellenlänge von 850 nm. Es gibt sie aber auch in anderen<br />
Dotierungen für die Wellenlängen bei 1.300 nm und 1.500 nm. Die typischen<br />
Ausgangsleistungen liegen bei 1 mW, die Koppelverluste bei -17 dB. Eine LED<br />
erzeugt diffuses (inkohärentes) Licht, das in einem relativ großen Winkel abgestrahlt<br />
wird. Dieser liegt zwischen 40 und 90 Grad. Die spektrale Fensterbreite beträgt 70 nm<br />
und kann mit Modulationsfrequenzen von bis zu ca. 250 MHz moduliert werden. Die<br />
generierbaren Impulsanstiegszeiten liegen bei 1 ns, wodurch der Einsatz bei<br />
Übertragungsraten von 1 Gbit/s begrenzt ist.<br />
Je nach Einkopplung unterscheidet man bei den LEDs zwischen Flächenemitter-LEDs<br />
und Kantenemitter-LEDs. Lumineszenzdioden sind wesentlich preiswerter als<br />
Laserdioden und eignen sich besonders für kurze Strecken.<br />
Leuchtdioden gibt es in verschiedenen Farben, Formen und Größen. Die<br />
unterschiedlichen Farben werden durch verschiedene Halbleiterkristalle erzeugt. Als<br />
Halbleitermaterial kommt vorwiegend aus Siliziumcarbonat (SiC), Galliumphosphor<br />
(GaP), Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumarsenid (InAs) zum Einsatz. Weiß<br />
leuchtende LEDs haben eine blaue Lichtemission die eine darüber liegende<br />
Phosphorschicht zur Lichtemission anregt. Daher ist das Licht der weiß leuchtenden<br />
LEDs blaustichig. Die Farbtemperatur liegt bei etwa 5.600 Kelvin.<br />
Long Haul ist eine von der ITU definierte optische SDH-Schnittstelle für weite<br />
Entfernungen. Die übertragbaren Entfernungen sind abhängig von der Wellenlänge<br />
und liegen bei 1.300 nm bei 40 km und bei 1.550 nm bei 80 km.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
LwL-Schalter<br />
(fiber optic switch)<br />
MEM<br />
micro electromechanical<br />
mirror<br />
Mikrospiegel<br />
23<br />
Diese Technik wird in Long Haul Networks für die Überbrückung von weiten<br />
Entfernungen eingesetzt.<br />
LwL-Schalter finden ihren<br />
Einsatz beispielsweise bei<br />
redundanten LwL-Strecken,<br />
auf die bei Bedarf<br />
umgeschaltet wird, oder bei<br />
der Umschaltung auf<br />
Messeinrichtungen. Es gibt<br />
rein mechanisch arbeitende<br />
LwL-Schalter, bei denen die<br />
Fasern über optische<br />
Komponenten wie Linsen und Prismen auf die zweite Faser justiert werden. Bei diesen<br />
Schaltern spielt die Präzision der Faserausrichtung die entscheidende Rolle, wobei es<br />
sehr schwierig ist, eine Faser hochpräzise, nur wenige Mikrometer genau zu<br />
positionieren.<br />
Neben den mechanisch arbeitenden LwL-Schaltern gibt es noch die<br />
elektromechanischen und piezoelektrischen Schalter. Rein elektronisch arbeitende<br />
Schalter arbeiten mittels Flüssigkristalltechnik oder nach einem Verfahren, bei dem<br />
das Licht über eine Blasentechnik geschaltet wird. Die Lichtschalter erreichen<br />
Schaltgeschwindigkeiten von 40 Gbit/s und darüber.<br />
Micro Electromechanical Mirror (MEM) ist ein elektromechanisch arbeitendes<br />
Spiegelsystem, das aus mikroskopisch kleinen Spiegeln besteht, die in optischen<br />
Schalter den Lichtstrahl schalten.<br />
Die Mikrospiegel, mit einem Durchmesser von etwa 10 µm, sind auf speziellen<br />
Drehzapfen gelagert und können in drei Achsen gekippt werden. Die Neigung der<br />
Mikrospiegel wird durch elektrostatische Felder verursacht, die von den Schaltlogiken<br />
erzeugt werden, die sich unterhalb der Mikrospiegel befinden.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optischer Switch mit<br />
mikroskopischem Spiegel,<br />
Foto: Lucent<br />
Mikroring-Resonator<br />
MSPP, multi service<br />
provisioning platform<br />
NAS, network<br />
access station<br />
24<br />
Ein einzelner Spiegel bildet einen optischen Schalter, ein<br />
Array mit einigen hundert oder tausend Spiegel bildet<br />
einen optischen Kreuzverteiler (OXC).<br />
Eine solche Spiegelanordnung arbeitet in einer<br />
Schutzatmosphäre, eignet sich für Raummultiplex, liegt<br />
allerdings von den Schaltzeiten her nur im<br />
Mikrosekunden-Bereich. Darüber hinaus gibt es<br />
Laufzeitunterschiede zwischen den verschiedenen<br />
Wellenlängen. Neben dieser Anwendung in den<br />
optischen Netzen werden Mikrospiegel auch in DMD-<br />
Chips in Projektoren und in der Automotive-Technik als Sensoren eingesetzt.<br />
Halbleiter-Laser wie FPL-Laser oder DFB-Laser mit nachgeschalteten Filtern oder<br />
optischen Verstärkern können nur partiell in planarer Technik realisiert werden. Um<br />
diese fertigungstechnischen Einschränkungen zu beheben, hat das Heinrich-Hertz-<br />
Institut, Berlin, einen Resonator in Form eines Mikrorings mit einem Durchmesser von<br />
10 µm entwickelt: den Mikroring-Resonator. Ein solcher Mikroring-Resonator kann als<br />
optisches Filter eingesetzt werden und einzelne Wellenlängen ausfiltern.<br />
Unter einer Multi Service Provisioning Platform (MSPP) ist das Zusammenwachsen<br />
der Zugangstechniken in optischen Netzen mit Wellenlängenmultiplex (WDM) zu<br />
verstehen. Auf dieser Plattform können ATM, Escon, SDH-Netze und IP-Netze über<br />
Wellenlängenmultiplex transportiert werden, unabhängig von der Signalstruktur und<br />
der Struktur der Dienste. Jedem Zubringerdienst wird in speziellen Transponder-<br />
Baugruppen eine eigene Wellenlänge zugewiesen.<br />
Network Access Stations (NAS) sind Zubringerkonzentratoren in optischen Netzen, die<br />
die Verbindung zwischen optischen Kernnetz und Metro- oder Access-Netz realisieren.<br />
Sie erfüllen eine Multiplex-Funktion und multiplexen die 320 Kanäle des DWDM-<br />
Kernnetzes in eine niedrigere Kanalzahl.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
NDSF-Faser<br />
NDSF, non dispersion<br />
shifted fiber<br />
NWDM<br />
NWDM-Verfahren<br />
narrow WDM<br />
NZDSF<br />
non zero dispersion<br />
shifted fiber<br />
NZDSF-Faser<br />
OA, optical amplifier<br />
(Optischer Verstärker)<br />
25<br />
Die NDSF-Faser ist eine von der ITU in der Empfehlung G.652 standardisierte<br />
Monomodefaser mit spezieller Dotierung. Bei dieser Faser wird der Nulldurchgang der<br />
chromatischen Dispersion in das zweite optische Fenster verschoben. Dadurch wird<br />
die Impulsverbreiterung in diesem Fenster reduziert. NDSF-Fasern haben typische<br />
Dispersionswerte von 16 ps/nm bezogen auf einen Kilometer.<br />
NWDM ist ein Wellenlängenmultiplex (WDM) im 1.300-nm-Bereich, das typischerweise<br />
mit 4 Datenströmen in einem Wellenlängenabstand von 25 nm arbeitet.<br />
Bei der Übertragung in DWDM-Systemen führt eine Dispersion mit einem<br />
Nulldurchgang im optischen Fenster bei 1.550 nm, wie im Falle der DSF-Faser, zu<br />
Interferenzen zwischen den verschiedenen Lichtsignalen. Dieser durch<br />
Nichtlinearitäten hervorgerufene Effekt ist ein Mischeffekt, bei dem aus drei Signalen<br />
ein viertes gebildet wird. Es entspricht dem Verfahren nach dem Four-Wave Mixing,<br />
wobei das vierte Lichtsignal Lichtenergie entzieht und die anderen Lichtsignale stören<br />
kann.<br />
Aus diesem Grund müssen in DWDM-Systemen Glasfasern eingesetzt werden, deren<br />
Nulldurchgang der Dispersion außerhalb des für DWDM genutzten<br />
Wellenlängenbereiches liegt. Bei der NZDSF-Faser, spezifiziert in der ITU-T-<br />
Empfehlung G.655, handelt es sich um eine solche Faser.<br />
Die NZDSF-Faser wurde für Übertragungsraten von 10 Gbit/s und 40 Gbit/s optimiert,<br />
sie kann im C-Band und im L-Band betrieben werden und in Zukunft auch im S-Band<br />
und kann Entfernungen von bis zu 100 km ohne Verstärker überbrücken.<br />
Optische Verstärker dienen dazu, die Dämpfung von Lichtwellenleitern zu<br />
kompensieren, indem sie das Eingangssignal um einen bestimmten Faktor<br />
pegelmäßig erhöhen. Sie werden bei langen Übertragungsstrecken im<br />
Weitverkehrsbereich eingesetzt.<br />
Unter optischen Verstärkern versteht man Verstärker, bei denen am Eingang ein O/E-<br />
Wandler das optische Signal in ein elektrisches wandelt, das anschließend<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Aufbau eines optischen<br />
Übertragungssystems<br />
OADM<br />
optical add/drop<br />
multiplexer<br />
Optischer Add/Drop-<br />
Multiplexer<br />
26<br />
elektronisch verstärkt wird. Am Verstärkerausgang erfolgt wiederum eine elektrooptische<br />
Rückwandlung. Es kann sich bei einem optischen Verstärker aber auch um<br />
einen solchen handeln, der das Lichtsignal ohne Umwandlung in ein elektrisches Signal<br />
verstärkt. Da bei ultraschnellen Bitraten von 20 Gbit/s und mehr die Schaltfunktionen<br />
nicht mehr durch opto-elektrische Verfahren realisiert werden können, sind bei diesen<br />
Anwendungen reine optische Schaltverfahren erforderlich. An rein optischen Verstärkern<br />
sind zu nennen der Semiconductor Optical Amplifier (SOA) und EDFA-Verstärker.<br />
Optische Verstärker verstärken die optischen Signale um bis zu 20 dB, was einem<br />
Verstärkungsfaktor von 100 entspricht. Der Rauschabstand ist dabei relativ hoch.<br />
Bei den optischen Verstärkern unterscheidet man zwischen dem Leistungsverstärker,<br />
der die Leistung des Lasers verstärkt und vor der Übertragungsstrecke liegt, dem<br />
optischen Linienverstärker (Line Amplifier), der die Dämpfung von langen<br />
Lichtwellenleiterstrecken ausgleicht und alle 60 km bis 120 km eingesetzt werden muss,<br />
und dem Vor-Verstärker, der am Ende der optischen Übertragungsstrecke liegt und das<br />
Lichtsignal für den optischen Decoder anpasst.<br />
OADMs sind optische Verteil- und Vermittlungskomponenten in optischen Netzen. Beim<br />
OADM handelt es sich um eine Variante eines Demultiplexers, der aus dem<br />
Multiplexsignal eine begrenzte Anzahl von Wellenlängen herausfiltert.<br />
Funktionell kann diese optische Komponente individuelle Wellenlängen auf einen<br />
Lichtwellenleiter hinzufügen (Add) oder von diesem entfernen (Drop). Die<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Funktion des Add/Drop-<br />
Multiplexers OADM<br />
O-Band<br />
OBR<br />
optical burst router<br />
27<br />
herausgefilterten Signale können dann<br />
in ein Anschlussnetz eingespeist, in<br />
eine höhere Bitrate überführt oder<br />
unmittelbar zu einem<br />
Teilnehmerknoten übertragen werden.<br />
Mithin erfüllt der optische Add/Drop-<br />
Multiplexer die Funktionalität eines<br />
optischen Routers, der ein<br />
transparentes Wellenlängen-Switching<br />
in der optischen Netzwerkschicht<br />
ermöglicht.<br />
Man unterscheidet zwischen<br />
statischen, dynamischen und<br />
rekonfigurierbaren OADMs. Die statischen OADMs sind fest konfiguriert, die<br />
dynamischen hingegen fernkonfigurierbar und können Verbindungen auf- und<br />
abbauen und die rekonfigurierbaren ROADMs haben eine selektives Element mit dem<br />
sie einzelne Wellenlängen aus dem Datenstrom herausnehmen können.<br />
In der physikalischen Topologie, einer vermaschten Ringstruktur, besitzt jeder OADM-<br />
Knoten für die Kommunikation mit jedem anderen Knoten des Rings eine eigene<br />
Wellenlänge.<br />
In optischen Netzen sind die Übertragungsbereiche von der ITU in G.694 definiert. Es<br />
gibt sechs Wellenlängenbereiche. Das O-Band liegt im zweiten optischen Fenster mit<br />
Wellenlängen zwischen 1.260 nm und 1.360 nm.<br />
Ein optischer Burst Router (OBR) ist eine rein optische Komponente für die optische<br />
Datenpaketvermittlung, die im optischen Kernnetz und im Bereich der Netzkanten<br />
eingesetzt wird. OBRs vermitteln auf rein optischer Basis Datenpakete oder Bursts.<br />
Von der Schichtenstruktur her unterstützen OBRs auf der physikalischen Schicht<br />
DWDM-Verbindungen, setzen auf der zweiten Ebene Label-Switching mit direkter<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OC,<br />
optical carrier<br />
OCDM<br />
Optisches Codemultiplex<br />
optical code division<br />
multiplexing<br />
OCh<br />
optical channel<br />
ODU<br />
optical data unit<br />
28<br />
Umsetzung das optische Burst-Switching ein. Die dritte Schicht hat wie bei Optical<br />
Crossconnect (OXC) und Terabit-Routern IP-Funktionalität.<br />
Optical Carrier (OC) bezeichnet die Grundbitrate der nordamerikanischen Sonet-<br />
Hierarchie STS-n. Die Grundbitrate OC-1 beträgt 51,84 Mbit/s und entspricht STS-1.<br />
Die Vielzahligen der Grundbitrate werden mit OC-3, OC-9, OC-12, OC-18, OC-24, OC-<br />
36 und OC-48 bezeichnet und entsprechen der Multiplikation mit der Grundbitrate von<br />
51,840 Mbit/s. OC-3 hat also eine Übertragungsrate von 155,520 Mbit/s, OC-9 von<br />
466,560 Mbit/s, OC-12 von 622,08 Mbit/s, OC-18 von 933,120 Mbit/s, OC-24 von 1,244<br />
Gbit/s, OC-36 von 1,866 Gbit/s, OC-48 von 2,488 Gbit/s, OC-96 von 4,976 Gbit/s, OC-<br />
192 von 9,953 Gbit/s und OC-768 von ca. 40 Gbit/s.<br />
Bei der OCDM-Technik sind die einzelnen Kanäle durch binäre Sequenzen<br />
gekennzeichnet, die vor der Übertragung im Zeit- oder Frequenzbereich codiert sind.<br />
Informationen eines bestimmten Kanals werden senderseitig vor dem Multiplexen mit<br />
der entsprechenden Kanalcodierung versehen und empfangsseitig nach dem<br />
Demultiplexen wieder decodiert.<br />
In der OTH-Hierarchie werden die optischen Container als Optical Channel (OCh)<br />
bezeichnet und entsprechen damit funktional den virtuellen Containern (VC) der SDH-<br />
Hierarchie. Über die Optical Channels werden hochbitratige Signale transportiert. Bei<br />
diesen Signalen kann es sich um SDH-Signale handeln, aber ebenso um<br />
Datenpakete von Gigabit-Ethernet oder Fibre-Channel.<br />
Die Optical Data Unit (ODU) ist ein Ultrabreitband-Signalformat für die Überwachung<br />
eines optischen Breitbandkanals in SDH-Netzen.<br />
Die Optical Data Unit enthält die Optical Payload Unit (OPU) in dem die Nutzdaten der<br />
verschiedenen Netze enthalten sind und unterstützt darüber hinaus die<br />
abschnittmäßige Fehlerkontrolle (TCM). Dieses Format, in dem Client-Signale mit<br />
ihren Bitraten und Formaten abgebildet werden, bietet eine optimierte Unterstützung<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OTN-Struktur der<br />
Dateneinheiten<br />
O/E-Wandler<br />
(O/E converter)<br />
OIF<br />
optical internetworking<br />
forum<br />
29<br />
bei nominalen Bitraten von 2,5<br />
Gbit/s, 10 Gbit/s und 40 Gbit/s;<br />
wodurch dem<br />
Datenkommunikationsnetzwerk<br />
mehr Bandbreite zur Verfügung<br />
steht. Neben diesen nominalen<br />
Bitraten wurde 2007 mit 120<br />
Gbit/s eine weitere Stufe in der<br />
OTH-Hierarchie definiert, die<br />
mit ODU4 bezeichnet wird.<br />
Der Super-Container ODU4<br />
unterstützen den vollständig<br />
transparenten Transport von<br />
neun 10-Gigabit-Ethernet oder auch 100-Gigabit-Ethernet. In beiden Fällen bietet der<br />
ODU4-Container hinreichend Platz, um sämtliche Payloads mit ihren Overheads zu<br />
transportieren.<br />
Opto-elektrische Wandler wandeln Lichtsignale in elektrische Signale um. Da man es<br />
bei der optischen Übertragung mit sehr geringen Lichtpegeln zu tun hat, werden für<br />
die Umwandlung Fototransistoren, Fotodioden und Avalanche Photo Diode (APD)<br />
benutzt. Für den kurzwelligen Bereich bis 850 nm nahe dem optischen Fenster<br />
werden Silizium-Dioden verwendet, während bei der Wellenlänge von 1.300 nm<br />
Indium-Gallium-Arsenid bevorzugt wird.<br />
Das Optical Internetworking Forum (OIF) beschäftigt sich u.a. mit der Durchgängigkeit<br />
von Diensten in optischen Netzen. Dazu wurde von dem OIF eine Spezifikation für die<br />
UNI-Schnittstelle entwickelt, die OIF UNI Signalling 1.0 für die Signalisierung. Ein<br />
weiterer Schritt ist mit GMPLS, das Label-Switching in optischen Systemen. OIF UNI<br />
Signalling erlaubt u.a. die Aktivierung von weiteren Farben in einem optischen Add/<br />
Drop-Multiplexer zum Zwecke der dynamischen Bandbreitenanpassung.<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OM-Klasse<br />
OM, optical multimode<br />
Definition der<br />
OM-Klassen<br />
Bei den OM-<br />
Klassen<br />
handelt es<br />
sich um die<br />
standardisierte<br />
Klassifizierung<br />
von<br />
Lichtwellenleitern<br />
für die<br />
LwL-Verkabelung, vergleichbar der Klassifizierung von TP-Kabeln (Kategorie) für die<br />
strukturierte Verkabelung (EN 50173 und ISO/IEC 11801). Die Standardisierung, die<br />
die Verkabelung von Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet unterstützen soll, wird<br />
von ISO/IEC durchgeführt und sieht drei Klassen für Multimodefasern (OM1, OM2,<br />
OM3) und eine Klasse für Monomodefasern (OS1) vor.<br />
In der Standardisierung sind unterschiedliche Vorgaben für Einmoden- und<br />
Gradientenindex-Profilfasern und die zum Einsatz kommenden Übertragungsfenster<br />
vorgesehen, wobei auch die verschiedenen Anregebedingungen durch LED und Laser<br />
berücksichtigt werden.<br />
Die drei optischen Klassen repräsentieren als minimale Übertragungslängen 300 m,<br />
500 m und 2.000 m.<br />
Für die Lichtübertragung stehen in allen drei OM-Klassen die Wellenlängen von 850<br />
nm und 1.300 nm zur Verfügung, die Dämpfungswerte sind in allen drei Klassen<br />
gleich, dagegen sind die Bandbreitenlängenprodukte sehr unterschiedlich und<br />
reichen von 200 MHz x km bei OM1 mit 850 nm bis zu 1.500 MHz x km für OM3. OM3<br />
wird allerdings mit einem VCSEL-Laser spezifiziert, der wesentlich effizienter arbeitet<br />
als Laser, die in Verbindung mit Monomodefasern verwendet werden. In dieser<br />
Konfiguration können bei 10-Gigabit-Ethernet Entfernungen von 300 m überbrückt<br />
werden. Wobei dies nur durch Einhaltung der äußerst engen Grenzwerte für die<br />
Differential Mode Delay (DMD) sichergestellt wird.<br />
30<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OMS<br />
optical multiplex section<br />
Multiplex-Abschnitt in einem<br />
optischen Netzwerk (OTH)<br />
OMUX<br />
optical multiplexer<br />
Optischer Multiplexer<br />
ONE<br />
optical network element<br />
31<br />
In der OTH-<br />
Hierarchie wird<br />
der<br />
Übertragungsabschnitt<br />
zwischen zwei<br />
optischen<br />
Multiplexern<br />
(OMUX) als Optical Multiplex Section (OMS) bezeichnet, vergleichbar mit der Multiplex<br />
Section (MS) in der SDH-Hierarchie. Der OMS-Übertragungsabschnitt setzt sich<br />
zusammen aus den einzelnen Optical Transmission Section (OTS).<br />
Wie bei den kupferbasierten Multiplexern gibt es auch bei den optischen Multiplexern<br />
verschiedene Multiplex-Verfahren, die in den optischen Netzen (ON) eingesetzt<br />
werden.<br />
Man unterscheidet bei den optischen Multiplexern zwischen dem Raummultiplex und<br />
dem Wellenlängenmultiplex (WDM).<br />
Das Raummultiplex entspricht der Aufteilung der einzelnen optischen<br />
Übertragungsstrecken auf jeweils eigene Glasfasern.<br />
Beim Wellenlängenmultiplex erhält jeder einzelne optische Übertragungskanal eine<br />
eigene Wellenlänge auf einem Lichtwellenleiter. Die einzelnen Wellenlängen werden<br />
durch optische Filter wie dichroitische Filter, Bragg-Gitter oder Phase Arrays<br />
(PHASAR) gewonnen. Je nach Verfahren können die Wellenlängenabstände<br />
zwischen zwei Wellenlängen 50 nm und mehr betragen wie beim WWDM, 20 nm wie<br />
bei CDWM aber auch unter 1 nm liegen wie beim DWDM.<br />
ONE, optical network element<br />
In der OTH-Hierarchie gibt es verschiedene optische Netzelemente wie optische<br />
Multiplexer (OMUX), optische Verstärker (OA), optische Add/Drop-Multiplexer (OADM)<br />
für das Einfügen und Entnehmen von Übertragungskanälen und einige weitere<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
ONN,<br />
optical network node<br />
(Optischer Netzknoten)<br />
Optischer Empfänger<br />
(optical receiver)<br />
Optischer Filter<br />
(optical filter)<br />
32<br />
Komponenten. Die Funktionen dieser einzelnen Komponenten sind in den optischen<br />
Netzkomponenten (ONE), die an beiden Enden einer optischen Übertragungsstrecke<br />
angeschlossen sind, zusammengefasst.<br />
Optische Netzknoten (ONN) sind Netzkomponenten des optischen Kernnetzes,<br />
funktionell vergleichbar mit einem Vermittlungsknoten in konventionell aufgebauten<br />
Netzen. Optische Netzknoten sind über die Glasfaserstrecken miteinander vermascht,<br />
sie können DWDM- und WDM-Signale erzeugen und dekodieren und besitzen<br />
Switching- und Routing-Funktionalität. Die Verbindung vom optischen Kernnetz zum<br />
Metropolitan- oder zum Access-Netz erfolgt über entsprechende Schnittstellen. Dies<br />
können Übergänge von der DWDM-Technik auf die CWDM-Technik sein oder<br />
standardisierte Schnittstellen für Gigabit-Ethernet und 10-Gigabit-Ethernet.<br />
Ein Terabit-Router bildet beispielsweise einen optischen Netzknoten.<br />
Ein optischer Empfänger muss das aus einer Glasfaser ausgekoppelte Lichtsignal in<br />
ein elektrisches Signal wandeln, dieses verstärken und demodulieren. Eine der<br />
wesentlichen elektronischen Komponenten eines optischen Verstärkers ist der O/E-<br />
Wandler, das ist eine Fotodiode oder ein Fototransistor wie beispielsweise die PIN-<br />
Diode oder die APD-Diode, der das empfangene Lichtsignal in ein elektrisches Signal<br />
umwandelt. Der optische Empfänger ist in seinen Empfangseigenschaften an den<br />
Lichtwellenleiter angepasst und hat eine mehrere hundert Micron große selektive<br />
Erkennungsregion, die das einfallende Licht aufnimmt. Da die modulierten<br />
Lichtsignale äußerst schwach sind, müssen die umgewandelten elektrischen Signale<br />
mit hochempfindlichen rauscharmen Operationsverstärkern verstärkt werden. Die<br />
Signalaufbereitung erfolgt in nachgeschalteten elektronischen Schaltungen.<br />
Optische Filter sind Wellenleiterkomponenten, die in optischen Netzen mit<br />
Wellenlängenmultiplex (WDM) eingesetzt werden. Mit ihnen können aus einem<br />
Wellenlängengemisch einzelne Wellenlängen ausgefiltert werden. Beispiele für<br />
optische Filter sind dichroitische Filter und Bragg-Gitter, Arrayed Waveguide Gratings<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optischer Schalter<br />
(optical switch)<br />
Optischer Sender<br />
(optical transmitter)<br />
33<br />
(AWG) und Phase Arrays (PHASAR).<br />
Mehrere Filtertechniken arbeiten mit einer Dünnfilm-Technik mit kaskadierten<br />
Inteferenzfiltern über die die jeweiligen Wellenlängen ausgekoppelt werden. Durch die<br />
Kaskadierung erhöhen sich allerdings bei hoher Kanalzahl die Einfügeverluste solcher<br />
Filter. Planare Filten wie der PHASAR arbeiten mit dotiertem SiO, das für die<br />
Wellenlängen speziell strukturiert werden muss.<br />
Der optische Schalter ist eine Komponente in optischen Netzen, die Lichtsignale<br />
zwischen verschiedenen Lichtwellenleitern schalten kann, ohne die Signale vorher in<br />
elektrische Signale umzuwandeln.<br />
Optische Schalter arbeiten mit unterschiedlichen Verfahren. Ein elektromechanisches<br />
Verfahren, das mit mikroskopisch kleinen Spiegeln arbeitet, den Micro<br />
Electromechanical Mirrors (MEM). Bei diesem Verfahren werden die Mikrospiegel in<br />
ihren Achsen gekippt. Ein anderes Verfahren arbeitet mit durchlässigen Spiegeln.<br />
Dabei können die Spiegel reflektieren oder als nichtreflektierende Scheibe die<br />
Lichtsignale durchlassen.<br />
Andere Verfahren arbeiten rein optisch auf der Basis von optischen Kopplern oder<br />
optischen Schaltnetzwerken, wieder andere auf der Technik von Flüssigkristallen oder<br />
Bubble-Jets. Bei letztgenannter Technik werden beim Schaltvorgang Bubbles<br />
(Kammern) mit einer Flüssigkeit gefüllt, die einen anderen Brechungsindex hat als die<br />
ungefüllte Kammer. Mit dieser Technik können derzeit Schaltzeiten von etwa 10 ms<br />
erreicht werden.<br />
Optische Schalter sind Schalter, die im ns-Bereich auf der physikalische Schicht die<br />
Signale schalten. Spitzenwerte für die Schaltfrequenz liegen über 50 GHz.<br />
Der optische Sender ist eine elektronisch-optische Baugruppe, die die elektrischen<br />
Signale in Lichtsignale umwandelt und diese für die Übertragung über LwL<br />
aufbereitet. Eine solche Baugruppe besteht aus einem E/O-Wandler, der die<br />
Lichtmodulation erzeugt, und einem nachgeschalteten optischen Verstärker, der die<br />
Adaption an den LwL vornimmt. E/O-Wandler sind Leuchtdioden oder Laserdioden.<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optisches Budget<br />
(optical budget)<br />
Die Einkopplung der Lichtenergie in die Glasfaser kann unmittelbar an der Fotodiode<br />
erfolgen oder über eine optische Verlängerung und ist abhängig von der Lichtleistung,<br />
der emittierenden Oberfläche, des Einkopplungswinkels sowie den Streu- und<br />
Refexionsverlusten. Das Verhältnis der emittierenden Oberfläche zur Größe der<br />
Faserstirnfläche spielt bei der Lichteinkopplung eine entscheidende Rolle, da nur die<br />
Lichtenergie eingekoppelt werden kann, die im richtigen Einkopplungswinkel auf das<br />
Kernglas trifft. Diese Lichtleistung spiegelt sich in der numerischen Apertur (NA) wider.<br />
Je kleiner das Verhältnis zwischen emittierender Oberfläche und Kernglasoberfläche<br />
ist, desto besser ist der Wirkungsgrad der Einkopplung.<br />
Das optische Budget ist die Gesamtheit aller die Lichtleistung beeinflussenden<br />
Faktoren auf einer optischen Übertragungsstrecke. Das in eine Glasfaser eingespeiste<br />
Lichtsignal unterliegt auf der optischen Übertragungstrecke den Lichtpegel<br />
verstärkenden und dämpfenden Faktoren. Das gesamte Budget muss dabei so<br />
bemessen sein, dass die verstärkenden Faktoren, also die Pegelanhebung durch<br />
optische Verstärker, am Ende der Übertragungsstrecke in jedem Fall größer sind als<br />
Ermittlung des<br />
Dämpfungsbudgets am<br />
Beispiel einer optischen<br />
Verbindung<br />
34<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optisches Fenster<br />
(optical window)<br />
Dämpfungskurven mit<br />
optischen Fenstern<br />
35<br />
die pegeldämpfenden Faktoren, die durch die Dämpfung der Glasfaser, durch<br />
Spleiße, Stecker und passive optische Komponenten hervorgerufen werden.<br />
Das optische Budget ist also die Pegelbetrachtung einer optischen Verbindung,<br />
beginnend beim Einspeisungspegel der optischen Quelle, des Lasers oder der LED,<br />
über die Dämpfungswerte des Lichtwellenleiters unter Berücksichtigung der Länge,<br />
der Dämpfungswerte der Anschlusskomponenten, der Pegelanhebung durch<br />
Verstärker und der Empfindlichkeit des optischen Empfängers. Dieses Budget ist eine<br />
unerlässliche Betrachtung für die fehlerfreie Datenübertragung.<br />
Für die optische Übertragungstechnik auf der Basis von Quarzglas-Lichtwellenleitern<br />
nutzt man Wellenlängenbereiche, die sich durch geringe Materialdämpfung<br />
auszeichnen.<br />
Bei Lichtwellenleitern bilden sich durch Streuung und Absorption Wellenlängenbereiche<br />
aus, in denen die<br />
Dämpfung geringer ist als in<br />
anderen Bereichen. Diese<br />
Bereiche nennt man<br />
optische Fenster und nutzt<br />
sie zur Übertragung für die<br />
verschiedenen Moden. Die<br />
optischen Fenster liegen bei<br />
850 nm, 1.300 nm und 1.550<br />
nm.<br />
Die ITU hat für die<br />
Übertragung in optischen<br />
Netzen insgesamt sechs<br />
Wellenlängenbereiche im 2.<br />
und 3. optischen Fenster<br />
(F2, F3) definiert. Danach<br />
liegt das O-Band im 2.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optisches Netz<br />
(ON, optical network)<br />
Von der ITU definierte<br />
Wellenlängenbereiche für<br />
die optische Übertragung<br />
36<br />
optischen Fenster, das E-Band, S-Band, C-Band, L-Band und U-Band im 3. optischen<br />
Fenster. Der untere Wellenlängenbereich bei 850 nm (F1) wird für die Übertragung<br />
auf Multimodefasern in lokalen Netzen benutzt und ist von der IEEE u.a. für Gigabit-<br />
Ethernet vorgegeben.<br />
Typische Dämpfungswerte liegen bei 3 dB/km für 850 nm Wellenlänge und 0,1 dB/km<br />
für 1.300 nm mit Monomodefasern.<br />
Optische Netze, auch als Photonik-Netze bekannt, sind breitbandige<br />
Hochgeschwindigkeitsnetze, die auf optischer Übertragungstechnologie mit den<br />
entsprechenden optischen Übertragungskomponenten basieren. Bei diesen rein<br />
optischen Netzen spricht man von All-Optical-Networks.<br />
Neben den rein optischen Übertragungskomponenten können optische Netze auch<br />
mit E/O- und O/E-Wandlern arbeiten.<br />
Optische Netze nutzen Lichtwellenleiter für die Übertragung der modulierten<br />
Lichtsignale. Für die Generierung des optischen Signals werden elektro-optische<br />
Wandler, bei<br />
hochwertigen<br />
Systemen vorwiegend<br />
Laserdioden<br />
eingesetzt, aber auch<br />
LEDs.<br />
Die Lichtmodulation<br />
erfolgt in NRZ-<br />
Codierung, und zwar<br />
entweder direkt, d.h.<br />
der Laserstrahl wird im<br />
Laser moduliert, oder<br />
extern, wobei der<br />
Laser einen<br />
konstanten Lichtstrahl<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Struktur eines optischen<br />
Kernnetzes mit<br />
DWDM-Strecken<br />
37<br />
sendet, der in einer<br />
nachgeschalteten<br />
Modulationseinrichtung,<br />
einem elektro-optischen<br />
Modulator oder einem Elektro-<br />
Absorptions-Modulator (EA)<br />
moduliert wird. Für die<br />
Signalrückwandlung, die<br />
Wandlung der optischen<br />
Signale in elektrische Signale,<br />
nimmt man bei<br />
leistungsfähigen Systemen<br />
APD-Dioden, PIN-Diode oder<br />
Fototransistoren.<br />
Optische Netze nutzen als<br />
Transportstruktur die SDH-<br />
Hierarchie oder OTH-<br />
Hierarchie und verwenden<br />
optische Netzkomponenten<br />
(ONE). Dabei handelt es sich<br />
um optische Verstärker (OA), Regeneratoren (REG), optische Multiplexer (OMUX),<br />
optische Crossconnects (OXC) sowie weitere Komponenten für die<br />
Dispersionskompensation, die Filterung und das Wellenlängenmultiplex (WDM).<br />
Darüber hinaus werden je nach Konzept des optischen Netzes die Lichtsignale über<br />
O/E-Wandler in elektrische Signale umgeformt, die anschließend über Netzknoten wie<br />
ATM-Switches, IP-Router, SDH-Multiplexer und Ethernet-Switches vermittelt und über<br />
elektro-optische Wandler wieder in Lichtsignale umgesetzt werden.<br />
Neben den optischen Netzen, die auf den Übertragungsstrecken mit elektro-optischer<br />
und opto-elektrischer Umwandlung arbeiten, gibt es noch die reinen All Optical<br />
Networks (AON), bei denen die Verstärkung und Vermittlung ausschließlich auf<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Optokoppler<br />
(optical coupler)<br />
38<br />
optischer Basis erfolgt.<br />
Optische Netze findet man im Weitverkehrsbereich, bei den Stadtnetzen und auch in<br />
Unternehmensnetzen. Im Weitverkehrsbereich sind solche Netze durch die Längen<br />
der Übertragungsstrecken charakterisiert. Diese Übertragungsstrecken werden wegen<br />
der großen überbrückbaren Entfernungen mit Monomodefasern aufgebaut, und sind<br />
von der ITU spezifiziert. Die Spezifikationen berücksichtigen die Dämpfung, die damit<br />
überbrückbaren Entfernungen und die Anzahl der einsetzbaren Verstärker.<br />
Längere Übertragungsstrecken von bis zu mehreren tausend Kilometern können<br />
durch eine Übertragungstechnik realisiert werden, die auf Solitonen basiert. Bei dieser<br />
Technik wird die Impulsverbreiterung, hervorgerufen durch die chromatische<br />
Dispersion, durch die Impulskompression der nichtlinearen Effekte ganz oder teilweise<br />
kompensiert. Diese Impulskompression wird durch Materialeigenschaften der<br />
Glasfaser im C-Band und L-Band verursacht.<br />
Solche Solitonen-Systeme können ohne Zwischenverstärkung Übertragungsstrecken<br />
von bis zu 20.000 km mit Datenraten von bis zu 10 Gbit/s oder 1.000 mit 40 Gbit/s<br />
überbrücken.<br />
Optische Koppler koppeln Lichtenergie bidirektional zwischen mehreren<br />
Lichtwellenleitern.<br />
Der Kopplertyp hat maßgeblichen Einfluss auf die Moden, wobei ausschließlich<br />
Multimodefasern, also die Stufenindex-Profilfaser und die Gradientenfaser, für<br />
Kopplermechanismen Verwendung finden. Es gibt Kopplertypen ohne<br />
Modenabhängigkeit, aber auch solche mit starker Abhängigkeit. Bei den Kopplertypen<br />
unterscheidet man vom Verfahren her die Sternkoppler und die T-Koppler, vom Prinzip<br />
her Koppler mit Taper-Prinzip, Versatz-, Gabel-, Kernanschliff-, Kernverschmelzungsund<br />
Strahlenteiler-Prinzip sowie Koppler mit Gradienten-Linsen.<br />
Der wichtigste Parameter für Optokoppler ist die Einfügungsdämpfung, die im<br />
Allgemeinen zwischen 0,5 dB und 1 dB liegt. Eine Ausnahme bilden Koppler nach<br />
dem Versatz-Prinzip und dem Taper-Prinzip, die Werte zwischen 2 dB und 3,5 dB<br />
haben.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OPTU,<br />
optical payload<br />
tributary unit<br />
OPU,<br />
optical payload unit<br />
OPVC,<br />
optical payload virtual<br />
container<br />
OR, optical repeater<br />
(Optischer Repeater)<br />
In einem optischen Transportnetz (OTN) können dem Endkunden verschiedene<br />
Hochgeschwindigkeits-Services wie Escon oder Gigabit-Ethernet bereitgestellt<br />
werden. Die Optical Payload Virtual Container (OPVC) sorgen für ein einheitliches<br />
Format der verschiedenen Services. Die Optical Payload Tributary Unit (OTN) spiegelt<br />
den Ausgang der OPVCs in einen Timeslot und sorgt für eine einheitliche Taktung.<br />
In der Optical Payload Unit (OPU) werden die Nutzdaten mit dem Overhead<br />
zusammengefasst. Bei den Nutzdaten kann es sich um solche aus ATM, MPLS, SDH,<br />
Ethernet oder anderen Protokollen handeln. Die Optical Payload Unit bildet in<br />
Verbindung mit dem Tandem Connection Monitoring (TCM) und einem weiteren<br />
Header die Optical Data Unit (ODU).<br />
In einem optischen Transportnetz (OTN) gibt es verschiedene Services für den<br />
Endkunden.<br />
Dazu gehören Escon, Sonet, Gigabit-Ethernet oder Fibre Channel. Die Optical<br />
Payload Virtual Container (OPVC) sorgen dafür, dass der Service in ein einheitliches<br />
Format dargestellt wird. Der OPVC ist der einzige Level, der geändert werden muss,<br />
wenn ein neuer Servicetyp unterstützt werden soll.<br />
Der optische Repeater dient dazu, eventuelle Lichtsignaldämpfungen auszugleichen.<br />
Obwohl die Reichweite von Lichtwellenleitern, speziell die der Monomodefaser,<br />
außerordentlich hoch ist, muss bei sehr langen Strecken das Signal in gewissen<br />
Abständen von einem optischen Repeater verstärkt und auch regeneriert werden.<br />
Dazu wird das optische Signal verstärkt, die Flankensteilheit der Impulse<br />
wiederhergestellt und anschließend wieder in das nächste Glasfaserkabel<br />
eingespeist.<br />
In LwL-LANs übernimmt der Repeater die gleichen Funktionen wie in kupferbasierten<br />
LANs, wobei er das Lichtsignal decodiert, in ein elektrisches Signal umformt und es<br />
anschließend über eine LED oder Laserdiode in den Lichtwellenleiter einspeist.<br />
39<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OS-Klasse<br />
OS class<br />
OSC<br />
optical supervisory<br />
channel<br />
OSDM<br />
optical space division<br />
multiplexing<br />
Optisches Raummultiplex<br />
OSNR<br />
optical signal to noise ratio<br />
Optischer Signal-<br />
Rauschabstand<br />
40<br />
Bei der OS-Klasse handelt es sich um die Spezifikation für eine leistungsfähige<br />
Monomodefaser für den Einsatz in 10-Gigabit-Ethernet. Mit dieser von der ISO/IEC<br />
eingeführten Klassifizierung von Monomodefasern und Gradientenindex-Profilfasern,<br />
dafür wurden die OM-Klassen entwickelt, werden neu entwickelte leistungsfähige<br />
Lichtwellenleiter für den Einsatz in Hochgeschwindigkeitsnetzen spezifiziert.<br />
In der OS-Klassifizierung gibt es die Klasse OS1, die als Fasertyp E9..10/125 µm<br />
vorsieht, mit einer Dämpfung von 1,0 dB/km bei den oberen beiden optischen<br />
Fenstern. Für 850 nm liegen noch keine Spezifikationen vor.<br />
Der Optical Supervisory Channel (OSC) ist ein optionaler Überwachungskanal in<br />
WDM- und DWDM-Systemen. In diesem Kanal werden zusätzliche<br />
Überwachungsfunktionen im DWDM-Overhead übertragen.<br />
In der optischen Transporthierarchie hat das OSC-Signal eine eigene Wellenlänge<br />
und wird im optischen Ausgangsverstärker eingeführt. Neben der Überwachung der<br />
optischen Übertragungsstrecke dient es auch dem Management.<br />
Beim optischen Raummultiplex (OSDM) handelt es sich um eine Parallelschaltung<br />
von mehreren Lichtwellenleitern; um eine LwL-Kabel mit mehreren Glasfasern.<br />
Jeder Kanal ist dabei einem eigenen Lichtwellenleiter zugeordnet und hat<br />
unterschiedliche Bitraten und Modulationstechniken. Bei der Verlegung sind<br />
ungenutzte Lichtwellenleiter einzuplanen, die im Störfall als Ersatzweg geschaltet<br />
werden können.<br />
Im Zusammenhang mit 100-Gigabit-Ethernet ist dafür der Begriff Ribbon Fiber<br />
entstanden. Für diese Übertragungstechnik gibt es gebündelte Lichtwellenleiter mit<br />
über 5.000 einzelnen Glasfasern.<br />
Der optische Signal-Rauschabstand ist ein Maß zur Bewertung der Performance von<br />
optischen Netzen (ON). Der Rauschabstand (OSNR) ist für Systeme mit optischen<br />
Verstärkern definiert, und zwar als Verhältnis der optischen Signalleistung zur so<br />
genannten »Amplified Spontaneus Emission« (ASE) der optischen Verstärker.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OTDM<br />
optical time division<br />
multiplexing<br />
Optisches Zeitmultiplex<br />
OTH, optical transport<br />
hierarchy<br />
OTH-Hierarchie<br />
Regenerator-Abschnitte in<br />
der OTH-Hierarchie<br />
41<br />
Die optische Zeitmultiplextechnik ist vergleichbar mit der elektrischen<br />
Zeitmultiplextechnik. Die zu übertragenden Signale werden zeitlich ineinander<br />
verschachtelt und dadurch nacheinander über einen Lichtwellenleiter gesendet. Die<br />
einzelnen Datenströme werden mit einer um den Multiplexfaktor höheren Datenrate<br />
komprimiert und empfangsseitig in einem OTDM-Demultiplexer wieder gedehnt.<br />
Mit der optischen Transporthierarchie (OTH) werden in optischen Netzen auf der<br />
Übertragungsebene einheitliche Signalstrukturen, Überwachungs- und<br />
Alarmfunktionen definiert.<br />
Die optische Transporthierarchie ist die Transporttechnik für das optische<br />
Transportnetz (OTN). In ihr wurden bewährte Techniken aus der synchronen digitalen<br />
Hierarchie (SDH) und der DWDM-Technik konsolidiert, wobei auf aufwendige<br />
Multiplexstrukturen verzichtet wird und stattdessen moderate Anforderungen an die<br />
Taktung gestellt werden. Die OTH-Technik bietet eine konvergente elektrische und<br />
optische Übertragungstechnik, die für breitbandige Datenströme optimiert wurde und<br />
diese Datenströme zwischen der elektrischen und optischen Ebene verschalten kann.<br />
Der Transport der Datenströme erfolgt über Container, die in der OTH-Technologie als<br />
Optical Channel (OCh) bezeichnet werden. Diese hochbitratigen Datenströme können<br />
aus Gigabit-Ethernet, Fibre-Channel, aus dem SDH-Netz oder dem ATM-Netz<br />
stammen. Über eine Rahmenbildung werden aus diesen paketvermittelten Signalen<br />
Datenpakete erzeugt, die über E/O-Wandler in optische Signale gewandelt und einer<br />
Wellenlänge aufmoduliert werden. Die einzelnen Wellenlängen werden in dem<br />
nachgeschalteten optischen Multiplexer (OMUX) zu einem optischen Gruppensignal<br />
gemultiplext<br />
und über einen<br />
optischen<br />
Verstärker dem<br />
Lichtwellenleiter<br />
zugeführt. Das<br />
Signal für die<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OTN, optical transport<br />
network<br />
(Optisches Transportnetz)<br />
Struktur des optischen<br />
Transportnetzes<br />
42<br />
Überwachung und das Management, der Optical Supervisory Channel (OSC) wird mit<br />
eigener Wellenlänge dem optischen Ausgangsverstärker zugeführt.<br />
OTH ist von der ITU in der Empfehlung G.709 standardisiert und bietet den<br />
verschiedenen Client-Signalen eine optische Transporteinheit (OTU).<br />
Das optische Transportnetz (OTN) ist ein von der ITU standardisiertes Netz in denen<br />
Carrier mittels eines Transportdienstes Nutzdaten von Kunden übertragen. Es handelt<br />
sich um eine konsequente Weiterentwicklung der synchronen digitalen Hierarchie<br />
(SDH) und der WDWM-Technik.<br />
Das optische Transportnetz basiert auf der OTH-Hierarchie, ist eine Technik für<br />
Kernnetze und besteht aus drei Layern. Der unterste Layer, der Optical Transmission<br />
Section (OTS), beschreibt die optische Faserstrecke zwischen zwei optischen<br />
Systemkomponenten. Das können optische Verstärker (OA), optische Add/Drop-<br />
Multiplexer (OADM) oder optischer Kreuzverteiler (OXC) sein. Der darüber liegende<br />
Layer, der Optical Multiplex Section (OMS) umfasst die Multiplexfunktionen einer<br />
DWDM-Verbindung zwischen zwei Netzwerkknoten. Der oberste Layer ist der Optical<br />
Channel Layer (OCh) und bezieht sich auf den<br />
optischen Kanal zwischen zwei Teilnehmern.<br />
Das optische Transportnetz kann bei voller<br />
Bandbreite 10-Gbit/s-Ethernet von Ethernet-<br />
Switches und Routern übertragen. Der<br />
Transport erfolgt über Optical Transport Units<br />
(OTU) mit nominalen Übertragungsraten von<br />
2,5 Gbit/s, 10 Gbit/s, 40 Gbit/s und in Zukunft<br />
auch mit 120 Gbit/s. In Verbindung mit der<br />
DWDM-Technik werden Datenraten von<br />
mehreren Terabit erzielt, was zu der<br />
Bezeichnungen 100-Gigabit-Ethernet oder<br />
Terabit-Ethernet geführt hat.<br />
In der ITU-Empfehlung G.709 sind die<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OTS<br />
optical transmission<br />
section<br />
OTU<br />
optical transport unit<br />
Optische Transporteinheit<br />
Standardisierte<br />
OTH-Bandbreiten<br />
43<br />
Datenraten für die optischen Transporteinheiten (OTU) festgelegt, die die Nutzdaten<br />
von ATM, SDH, Ethernet und sonstigen Protokollen enthalten. In diesem Standard ist<br />
auch die Schnittstelle Network Node Interface (NNI) zum optischen Transportnetz<br />
definiert.<br />
Die Optical Transmission Section (OTS) ist der optische Übertragungsabschnitt<br />
zwischen zwei optischen Regeneratoren oder zwischen einem optischen Multiplexer<br />
(OMUX) und einem Regenerator in der OTH-Hierarchie. Alle OTS-Stecken zusammen<br />
bilden die Optical Multiplex Section (OMS), vergleichbar der Multiplex Section (MS) in<br />
der SDH-Hierarchie.<br />
Die optische Transporteinheit<br />
(OTU) ist der im ITU-Standard<br />
G.709 festgelegte Datenrahmen<br />
für die Übertragung in optischen<br />
Netzen. Der Datenrahmen<br />
besteht aus drei Datenfeldern:<br />
dem Overhead (OH), den<br />
Nutzdaten und der Vorwärts-<br />
Fehlerkorrektur (FEC). Im<br />
Nutzdatenfeld, dem Payload,<br />
sind die im optischen<br />
Transportnetz definierten<br />
Nutzdaten von ATM, SDH, Ethernet, 10GbE oder andere. Das können STS-Signale<br />
sein, aber ebenso Ethernet- oder IP-Pakete. Der gesamte Datenrahmen ist in Zeilen<br />
und Spalten gegliedert, wobei eine Spalte einem Byte entspricht.<br />
In der ITU-Empfehlung G.709 werden sind folgende OTU-Übertragungsraten definiert:<br />
OTU-1 mit 2,666 057 143 Gbit/s, OTU-2 mit 10,709 225 316 Gbit/s, OTU-3 mit 43,018<br />
413 559 Gbit/s und OTU-4 mit nominal 120 Gbit/s.<br />
Die Datenraten von über 40 Gbit/s werden mit einer speziellen Modulationstechnik,<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
OXC<br />
optical crossconnect<br />
Optischer Kreuzverteiler<br />
MEMs für den Optical<br />
Crossconnect<br />
44<br />
dem RZ-DQPSK, erzielt. In Verbindung mit der DWDM-Technik können so über einen<br />
Lichtwellenleiter bis zu 6,8 Tbit/s übertragen werden. Dieser theoretische Wert<br />
errechnet sich aus der Übertragungsrate von 43 Gbit/s und den 160 verschiedenen<br />
Wellenlängen der DWDM-Technik.<br />
Optical Crossconnects (OXC) sind optische Schalter, die in optischen Netzen und<br />
Kernnetzen eingesetzt werden und als blockierungsfreie Vermittlungssysteme<br />
zwischen beliebigen (STM)-Schnittstellen fungieren.<br />
Ein optischer Kreuzverteiler ist eine Funktionseinheit, die aus einem optischen<br />
Schalter, einem Wellenlängenschalter und einem Wellenlängen-Konverter besteht. Er<br />
kann ankommende Lichtwellenleiter auf jede beliebige ausgehende Faser schalten; in<br />
diesem Fall arbeitet er als optischer Raumswitch. Er kann im Wellenlängen-Switching<br />
einzelne Wellenlängen von einer ankommenden Faser auf jede ausgehende Faser<br />
schalten, was der Funktion des Wellenlängenmultiplex entspricht, und darüber hinaus<br />
kann ein OXC Wellenlängen konvertieren und diese auf eine Ausgangsfaser legen.<br />
Mit der OXC-Technik können optische Netze in vermaschten Topologien aufgebaut<br />
werden.<br />
Ein optischer Crossconnect, auch bekannt als Fiber Crossconnect (FXC), arbeitet mit<br />
Wellenlängen (Lambdas). Dabei entspricht ein optischer Pfad einem durch MPLS<br />
Traffic-Engineering signalisierten Label Switch Pfad (LSP).<br />
Ein optischer Crossconnect besteht aus<br />
zwei Komponenten: der Kontroll-<br />
Komponente und der Forwarding-<br />
Komponente. Die Kontroll-Komponente<br />
steuert den Verkehrsfluss, sie findet<br />
Ressourcen im optischen Netz, wie freie<br />
Wellenlängen, sammelt Topologie- und<br />
Zustands<strong>info</strong>rmationen, übernimmt die<br />
Pfadwahl und das Verbindungs-<br />
Management im optischen Netz und sorgt<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
PBB-TE, provider<br />
backbone bridging-traffic<br />
engineering<br />
PHASAR, phase array<br />
Planare optische<br />
Komponente mit integriertem<br />
Phasar,<br />
Foto: TU Gent<br />
Photonik-Netz<br />
photonic network<br />
45<br />
für Ausfallsicherheit.<br />
Die Forwarding-Komponente wird durch den Aufbau von Switching-Tabellen im Cross-<br />
Connect gesteuert. Diese beinhalten das eingehende Interface, die eingehende<br />
Wellenlänge sowie das ausgehende Interface und die ausgehende Wellenlänge.<br />
PBB-TE ist eine von Nortel entwickelte Carrier-Grade Ethernet-Variante, die für den<br />
sicheren Transport in Next Generation Networks (NGN) eingesetzt werden soll. Es<br />
handelt sich um eine<br />
Ethernet-Tunneling-Technologie mit der Datenpfade innerhalb großer Carrier-Ethernet-<br />
Netze gesteuert werden können. PBB-TE unterstützt die Dienstgüte (QoS) und kann<br />
in spezische Pfade für spezifische Verkehrstypen benutzen.<br />
Die PBB-TE-Technik wird als Provider Backbone Transport (PBT) weiterentwickelt und<br />
soll eine preiswerte Alternative zu MPLS darstellen.<br />
Das Phase Array (PHASAR) oder Arrayed<br />
Waveguide Gratings (AWG) ist eine in planarer,<br />
integrierter Technik aufgebaute optische<br />
Komponente für das Multiplexen bzw. das<br />
Demultiplexen.<br />
Das Phase Array zeichnet sich dadurch aus,<br />
dass die Phasen der einzelnen Wellenlängen<br />
beim mehrkanaligen Multiplexen und<br />
Demultiplexen konstant sind. Dem Verfahren<br />
nach arbeiten Phasare mit unterschiedlich<br />
langen Lichtwellenleitern, die die Phasenverschiebungen bei unterschiedlichen<br />
Wellenlängen kompensieren.<br />
Ein Photonik-Netz ist ein optisches Netz. Der Begriff wurde für einige<br />
Forschungsprojekte benutzt, hat sich aber allgemein nicht durchgesetzt.<br />
Unter einem Photonik-Netz versteht man allgemein ein optisches Netz mit optischen<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
PIN-Diode<br />
PIN, positive intrinsic<br />
negative<br />
Aufbau einer<br />
PIN-Diode<br />
Komponenten, speziell wird diese Bezeichnung aber bei Netzen mit<br />
Wellenlängenmultiplex (WDM, DWDM, OFDM) verwendet.<br />
Die PIN-Diode kann ein optische Detektor sein, also eine Fotodiode, sie kann aber<br />
auch als steuerbarer frequenzabhängiger Widerstand arbeitet; je nachdem ob sie in<br />
Sperr- oder Durchlassrichtung betrieben wird. Als Fotodiode arbeitet die PIN-Diode in<br />
Sperrrichtung und wandelt Lichtsignale in elektrische Signale um.<br />
Wie aus der Bezeichnung erkennbar, besteht die PIN-Diode aus drei Schichten: einer<br />
positiv dotierten P-Schicht, einer negativ dotierten N-Schicht und der zwischen beiden<br />
liegende Intrinsic-Bereich, in dem sich nur wenige freie Ladungsträger befinden. Der<br />
Intrinsic-Bereich hat eine Breite von etwa 500 nm bis 1.000 nm, wogegen die P- und<br />
N-Schicht nur etwa 10 nm bis 30 nm breit sind. Fällt Licht auf den Intrinsic-Bereich<br />
werden Elektronen aus dem atomaren Verbund gerissen und stehen für den<br />
Ladungstransport zur Verfügung. Je höher die Lichtstärke, desto mehr freie<br />
Elektronen stehen zur Verfügung.<br />
Neben der PIN-Diode werden in E/O-Wandlern auch die empfindlicheren APD-Dioden<br />
oder Fototransistoren eingesetzt.<br />
Die PIN-Diode ist unempfindlicher als<br />
die APD, dafür aber temperaturstabiler<br />
und kostengünstiger. Spitzenwerte für<br />
die Empfindlichkeit liegen zwischen -40<br />
dBm (25 Mbit/s) und -55 dB (2 Mbit/s)<br />
bei 850 nm Wellenlänge.<br />
Wird die PIN-Diode in<br />
Durchlassrichtung betrieben, dann<br />
kann man die Raumladungszone in<br />
der Breite steuern und erhält damit die Funktion eines kapazitiven Widerstandes. In<br />
dieser Funktion wird die PIN-Diode in HF-Schaltungen, so beispielsweise in HF-<br />
Dämpfungsgliedern.<br />
46<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
PMD<br />
polarization mode<br />
dispersion<br />
Polarisationsmoden-<br />
Dispersion<br />
POH<br />
path overhead<br />
Pfadkopfteil<br />
Pfad-Overhead (POH)<br />
von VC-3/4<br />
47<br />
Die Polarisationsmoden-Dispersion ist ein Modulationsformat, das in der DWDM-<br />
Technik eingesetzte wird. Die Polarisationsmoden-Dispersion ist auf die Unsymmetrie<br />
des Kernglases eines Lichtwellenleiters zurückzuführen, die durch externe Einflüsse<br />
wie Druck, Zug und Temperatur beeinflusst werden kann. Diese Unsymmetrie führt zu<br />
Laufzeitunterschieden zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisations-<br />
Moden. Die Polarisationsmoden-Dispersion ist der über einen definierten<br />
Wellenlängenbereich gemittelte Wert der differenziellen Gruppenlaufzeit (DGD).<br />
Die Zufälligkeit von PMD macht es schwierig diese zu kompensieren. Der Einfluss ist<br />
bis zu Übertragungsraten von 10 Gbit/s vernachlässigbar gering, aber bei<br />
Geschwindigkeiten von 40 Gbit/s, also einer Pulsdauer von nur 25 ps, machen sich<br />
Beeinträchtigungen bemerkbar.<br />
Zu den Funktionen des Path Overheads (POH) im STM-Datenrahmen gehören in<br />
erster Linie die Qualitätsüberwachung und Kennzeichnung des Containers. Im<br />
einzelnen erfüllt der Path Overhead folgende Funktionen: Beschreibung des<br />
Absenders, Fehlererkennung, Zusammensetzung des Container-Inhaltes, Pfad-<br />
Status, Informationen über die Pfad-<br />
Ersatzschaltung und die<br />
Überwachung eines Carrier-<br />
Abschnitts.<br />
Die Funktionen werden während der<br />
Übertragung der Nutzdaten<br />
(Container) innerhalb eines SDH-<br />
Netzwerkes ausgeführt. Der Path<br />
Overhead begleitet den Container<br />
während des gesamten<br />
Übertragungsweges und wird erst<br />
am Zielknoten wieder entfernt.<br />
Der Path Overhead wiederholt sich in<br />
jedem STM-Datenrahmen mit dem<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Pfad-Overhead (POH)<br />
für VC-11/12<br />
POL<br />
parallel optical links<br />
PTE,<br />
path terminal equipment<br />
Q-Faktor<br />
Q factor<br />
48<br />
gleichen Inhalt, wobei sich lediglich die Pathund<br />
Section-Traces ändern können ebenso<br />
wie der Bitfehlerzähler.<br />
Beim Path Overhead unterscheidet man<br />
zwischen dem Higher Order Path Overhead<br />
und dem Lower Order Path Overhead mit<br />
einer etwas eingeschränkten Funktionalität.<br />
Die Higher Order Path Overheads sind durch<br />
die virtuellen Container VC-3 und VC-4 gekennzeichnet und dient dem Transport von<br />
140 Mbit/s, 34 Mbit/s und ATM-Signalen. Die Lower Order Path Overheads der<br />
virtuellen Container VC-2, VC-11 und VC-12 dienen dem Transport von 1,544 Mbit/s,<br />
2,048 Mbit/s und ATM-Signalen.<br />
Parallel Optical Links (POL) sind Höchstgeschwindigkeits-Kurzstreckenverbindungen,<br />
die aus mehreren parallelen Lichtwellenleitern bestehen. Für die POL-Verbindungen,<br />
die für Entfernungen bis zu 300 m geeignet sind, gibt es spezielle mehrkanalige<br />
Bauelemente als Sende- und Empfangseinrichtung. Über die parallelen Verbindungen<br />
können beispielsweise bei einer 12-kanaligen Strecke und einer Datenrate von 2,5<br />
Gbit/s pro Monomodefaser, also insgesamt 30 Gbit/s übertragen werden.<br />
Ein Path Terminal Equipment (PTE) arbeitet in optischen Netzen als Terminal-<br />
Multiplexer auf Path-Ebene für DS-, STS- und andere Signale. Sie werden eingesetzt,<br />
um plesiochrone und synchrone Signale, PDH und SDH, zu höherbitratigen STM-<br />
Signalen zu multiplexen.<br />
Der Q-Faktor ist ein Maß für die Qualität von optischen Übertragungsstrecken. Er wird<br />
als Zahlenwert angegeben, der die Qualität des optischen Übertragungssignals<br />
widerspiegelt. “Q” steht dabei nicht als Akronym für Qualität, sondern ist das<br />
mathematische Formelzeichen für das Gaußsche Fehlerintegral. Der Q-Faktor erlaubt<br />
direkte Rückschlüsse auf die zu erwartende Bitfehlerrate.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
RCLED<br />
resonant cavity LED<br />
REG, regenerator<br />
Regenerator<br />
ROADM, reconfigurable<br />
optical add/drop<br />
multiplexer<br />
Rückstreuverfahren<br />
back scattering technique<br />
49<br />
Ermittelt wird der Q-Faktor aus dem Augendiagramm, das bei einem höheren Q-Wert<br />
weiter geöffnet ist als bei einem niedrigeren.<br />
Die RCLED ist eine Leuchtdiode, die mit einem Resonanzkörper arbeitet und sich<br />
gegenüber der normalen Leuchtdiode durch eine geringere spektrale Bandbreite<br />
auszeichnet. Die RCLED leuchtet bei 650 nm mit einer spektralen Breite von 10 nm.<br />
Die übertragbare Datenrate beträgt 600 Mbit/s, der Sendepegel liegt bei -2 dBm bis -6<br />
dBm.<br />
Ein Regenerator ist eine elektrische oder optische Komponente in SDH-Netzen oder<br />
optischen Netzen, die das durch Dämpfung und Dispersion verzerrte Lichtsignal wieder<br />
regeneriert.<br />
Regeneratoren leiten ihr Taktsignal aus dem ankommenden Eingangssignal ab und<br />
erneuern Teile des Overheads hinsichtlich Amplitude und Takt. Der STM-Datenrahmen<br />
hat einen speziellen Overhead, den Regenerator Section Overhead (RSOH), über den<br />
die abschnittsweise Regeneration des Signals <strong>info</strong>rmativ abgewickelt werden kann.<br />
Dieser RSOH wird vom Regenerator ausgewertet.<br />
Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer (ROADM) zeichnen sich gegenüber den<br />
statischen OADMs dadurch aus, dass sie ein konfigurierbares Element besitzen mit<br />
dem einzelne Wellenlängen aus dem Lichtstrom aussortiert werden können. Mit<br />
solchen ROADMs kann der Netzwerk-Administrator eine dynamische Rekonfuguration<br />
der Wellenlängen vornehmen.<br />
Von Rückstreuung spricht man bei der Übertragung in Lichtwellenleitern. Ein geringer<br />
Bruchteil des Lichtes, das durch Streuung aus seiner Richtung abgelenkt wurde,<br />
gelangt in rückwärtige Richtung. Es läuft also im LwL zum Sender zurück. Durch<br />
Beobachtung des zeitlichen Verlaufs des rückgestreuten Lichts mit Hilfe eines<br />
Strahlteilers am Sender, kann man nicht nur die Länge und Dämpfung eines<br />
installierten Lichtwellenleiters von einem Ende aus messen, sondern auch lokale<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Rückstreuverfahren<br />
(back scattering technique)<br />
S-Band<br />
S band<br />
SOA-Verstärker<br />
SOA, semiconductor<br />
optical amplifier<br />
50<br />
Unregelmäßigkeiten.<br />
Die Rückstreuung wird durch die Rayleigh-Streuung und durch Änderungen im<br />
Kernglas verursacht. Wobei das Kernglas selbst durch Querschnittsänderungen<br />
sowie durch so genannte Mikro- und Makrokrümmungen zu der Rückstreuung<br />
beiträgt. Unter Mikrokrümmungen sind fertigungstechnische Toleranzen in der Lage<br />
des Kernglases zum Mantelglas zu verstehen; Makrokrümmungen hingegen<br />
entstehen bei der Kabelverlegung durch Nichteinhaltung des Biegeradius.<br />
Das Maß für die Rückstreuung ist die Rückstreudämpfung, der Logarithmus aus dem<br />
Verhältnis von eingestrahlter zu reflektierter Energie. Die Rückstreudämpfung ist ein<br />
wichtiges Gütekriterium für LwL-Stecker und Spleiße.<br />
Meßmethode in einem Lichtwellenleiter. Mit dem Backscattering-Verfahren ist es<br />
möglich, die Länge eines Glasfaserkabels von einem Ende aus zu messen sowie den<br />
Dämpfungsverlauf innerhalb des Kabels. Außerdem lassen sich Unregelmäßigkeiten,<br />
wie schlechte Spleiße, LwL-Stecker und ähnliches aufspüren. Das Verfahren beruht<br />
darauf, den zur Lichtquelle hin reflektierten, also zurückgestreuten, Strahlenanteil zu<br />
messen (OTDR).<br />
Die Bezeichnung S-Band gibt es auch in der optischen Übertragungstechnik.<br />
Dieses optische S-Band wurde von der ITU unter G.694 definiert und hat<br />
Wellenlängen zwischen 1.460 nm und 1.530 nm.<br />
Ein Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ist ein auf Halbleiterbasis arbeitender<br />
optischer Verstärker. Die aktive Komponente, die aus den Halbleitermaterialien Indium,<br />
Gallium und Arsenid besteht, kann bei entsprechender Dotierung in den<br />
übertragungstechnisch relevanten Wellenlängenbereichen von 1.300 nm und 1.550<br />
nm eingesetzt werden. Der rein optisch arbeitende SOA wird von einem injizierten<br />
Strom elektrisch gepumpt und nutzt dabei die nichtlineare Effekte bei der<br />
Kreuzverstäkungs-Modulation (XGM), neuere Verfahren arbeiten mit<br />
interferometrischen Anordnungen. Vom Aufbau her besteht ein SOA aus einer<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Soliton<br />
soliton waves<br />
Splitter<br />
51<br />
zentralen, etwa 600 µm langen aktiven Zone sowie zwei etwa 100 µm langen passiven<br />
Zonen an der Eingangs- und Ausgangsseite. Die aktive Zone liegt auf einer<br />
heterogenen Struktur und besteht aus einem 0,2 µm dicken dehnbaren aktiven Layer,<br />
der zwischen zwei 0,1 µm dicken Layern eingebettet ist. Dieser aktive Layer verjüngt<br />
sich und ermöglicht dadurch die optische Kopplung zum darunter liegenden passiven<br />
Wellenleiter.<br />
SOAs erreichen Verstärkungsfaktoren von bis zu 30 dB bei Bandbreiten von 2 GHz bis<br />
10 GHz und Ausgangsleistungen von 12 dBm. Die optische Bandbreite beträgt 40 nm.<br />
Die optischen Halbleiterverstärker eignen sich für die Integration in Komponenten für<br />
das optische Zeitmultiplex (OTDM), wie Optical Add/Drop Multiplexer (OADM), Optical<br />
Crossconnect (OXC), Wellenlängen-Konverter oder optische Schalter. Die in SOAs<br />
eingesetzte Technologie ist die Schlüsseltechnologie für weitere optische<br />
Komponenten, so für den Wellenlängen-Konverter, den Regenerator, für optische<br />
Filter, Vor-, Inline- und Leistungsverstärker.<br />
Solitonen sind Wellen, die sich wie Teilchen verhalten und ohne Änderung ihrer Form<br />
oder Geschwindigkeit über weite Strecken ausbreiten. Solitonen werden<br />
beispielsweise als elektromagnetische Impulse auf elektrischen Leitungen übertragen<br />
oder als optische Solitonen auf Lichtwellenleitern. Sie zeichnen sich durch eine in<br />
Amplitude und Phase exakt definierte Impulsform aus, die sich ohne Formänderung in<br />
Glasfasern übertragen lässt. In Lichtwellenleitern wird ihre Ausbreitung durch die<br />
Kompensation von linearen und nichtlinearen Effekten, wie der Dispersion und dem<br />
Kerr-Effekt, wenig beeinträchtigt; die Signalform weist eine relativ hohe Stabilität aus.<br />
Durch diese Eigenschaft können Solitonen-Systeme mit minimaler<br />
Dispersionskompensation in optischen Netzen (ON) und optischen<br />
Übertragungsstrecken mit mehreren tausend Kilometern Reichweite eingesetzt<br />
werden.<br />
Ein Splitter ist eine passive Komponente, die ankommende Signalenergie auf mehrere<br />
Leitungen aufteilt.<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Sternkoppler<br />
STK, optical star coupler<br />
52<br />
In der optischen Übertragungstechnik dient der Splitter als optischer Verteiler, der die<br />
Signale auf bis zu 32 Lichtwellenleiter verteilt. Praktischen Einsatz findet der optische<br />
Splitter in optischen Netzwerkeinheiten (ONU) im Anschlussbereich von<br />
Zugangsnetzen.<br />
In Breitbandnetzen übernimmt der Splitter die frequenzmäßige Verteilerfunktion. Er<br />
unterteilt den eingehenden Frequenzbereich auf mehrere Ausgangsfrequenzbereiche<br />
mit geringerer Leistung. Eine bekannte Splitteranwendung ist der DSL-Splitter, der<br />
den Sprach- oder ISDN-Bereich von dem DSL-Datenbereich trennt.<br />
Kehrt man die Funktion des Splitters um, erhält man einen Combiner, der mehrere<br />
Leitungseingänge zu in einem einzelnen Leitungsausgang zusammenschließt.<br />
Sternkoppler sind Glasfaser-Koppelelemente, bei denen ein eingehendes Lichtsignal<br />
sternförmig in mehrere Fasern aufgeteilt wird. Es gibt mehrere unterschiedliche<br />
Verfahren, um ein Lichtsignal sternförmig auf mehrere Glasfasern aufzuteilen.<br />
Ein Verfahren basiert auf dem Verdrillen und Verschmelzen von mehreren Fasern,<br />
ähnlich wie es bei dem bikonischen Taperkoppler mit zwei Fasern erfolgt. Ein anderes<br />
Verfahren verwendet diffuses Glas, das an einer Stirnseite verspiegelt ist. Das<br />
Lichtsignal wird an einer Stirnseite eingekoppelt, in dem diffusen Glas gebrochen, an<br />
der anderen Stirnseite am Spiegel reflektiert und in die anderen Fasern ausgekoppelt.<br />
Die Dämpfung des Lichtes ist entsprechend hoch. Ein drittes Verfahren benutzt ein<br />
diffundiertes Glasplättchen, in das Moden-führende Kanäle eindiffundiert sind und<br />
über die Lichtenergie ein- und ausgekoppelt wird. Diese Koppler zeichnen sich<br />
dadurch aus, dass sie geringe Lichtverluste haben.<br />
Sternkoppler werden als zentrale Bauelemente für sternförmige Lichtwellenleiternetze<br />
eingesetzt. Er verbindet zahlreiche Sender und Empfänger und verteilt die<br />
Signalleistung, die ein angeschlossener Sender liefert, gleichmäßig auf alle<br />
angeschlossenen Empfänger. Optische Sternkoppler gibt es in aktiver Bauart (mit<br />
elektrischem Zwischenverstärker) oder in passiver Bauart (ohne).<br />
Das Prinzip ist, dass es von allen angeschlossenen Stationen jeweils eine Hin- und<br />
eine Rück-Lichtwellenleitung gibt. Licht, das auf einer Eingangsleitung ankommt, wird<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Sub-Wellenlängen-<br />
Switching<br />
(sub-wavelength switching)<br />
Taperkoppler<br />
taper coupler<br />
53<br />
gesammelt und über ein Streuverfahren an alle Rückleiter verteilt. Dabei muss auf<br />
einer höheren Schicht eine Synchronisation der Sender durchgeführt werden, damit<br />
zu einer Zeit nur eine Station sendet. Die bei LANs hierfür üblicherweise verwandten<br />
Verfahren sind hierzu grundsätzlich geeignet. Jeder optische Sternkoppler unterstützt<br />
nur eine begrenzte Anzahl von Anschlüssen (z.B. 32), da der Aufbau hier seine<br />
technischen Grenzen hat.<br />
Aktive Koppler sind unter Berücksichtigung einer maximalen Laufzeit von einem Ende<br />
des Netzwerkes zum anderen beliebig kaskadierbar.<br />
Bei dem Sub-Wellenlängen-Switching wird gegenüber dem Wellenlängen-Switching<br />
eine weitere Multiplextechnik hinzugefügt: typischerweise das des optischen<br />
Zeitmultiplex, das mehrere Verkehrströme zusammenfasst. Man spricht auch von<br />
Grooming. Durch den Einsatz von deterministischen oder statistischen<br />
Multiplexverfahren gibt es diverse technologische Ansätze wie beispielsweise das<br />
Switching von optischen Bursts (OBS), das der optischen Pakete (OPS) oder das<br />
Optical Time Division Multiplexing (OTDM).<br />
Das Sub-Wellenlängen-Switching wird als eine von drei Vermittlungstechniken in<br />
Carrier Ethernet Transport (CET) eingesetzt.<br />
Der bikonische Taperkoppler (Bi-Taper) ist ein einfacher Koppler, der in den<br />
Anfangsjahren der optischen Netze eingesetzt wurde. Vom Prinzip her handelt es sich<br />
um zwei Glasfasern, die mit einigen Windungen umeinander gewickelt und<br />
verschmolzen werden. Die gegeneinander verdrillten Glasfasern werden fast bis zur<br />
Schmelztemperatur erhitzt und dabei etwas gestreckt. Durch dieses Verfahren<br />
entstehen Fasern, die verjüngt und wieder erweitert sind.<br />
Durch die Verjüngung des Kerndurchmessers entsteht die Taperfunktion, durch die<br />
flache Moden in steile Moden gewandelt werden und die numerische Apertur ansteigt.<br />
Es erfolgt ein Modenaustausch zwischen den beiden Fasern. Hat das verdrillte<br />
Teilstück eine bestimmte Länge, erhält man einen Koppler mit wellentrennenden<br />
Eigenschaften. Das Verfahren kann auch bei Sternkopplern mit mehr als zwei Fasern<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
TOADM,<br />
tunable OADM<br />
U-Band<br />
U band<br />
ULH<br />
ultra long haul<br />
angewendet werden.<br />
Beim bikonischen Taperkoppler mussten die miteinander gekoppelten Wellenlängen<br />
einen weiten Abstand voneinander haben. Deswegen haben die diese Komponenten<br />
mit Wellenlängen von 1.310 nm und 1.550 nm gearbeitet und hatten die doppelte<br />
Bandbreite von einer einzelnen Glasfaser, also 5 Gbit/s.<br />
Ein abstimmbarer OADM ist eine Komponente für optische Netze und arbeitet mit<br />
abstimmbaren Filtern. Es gestattet das Einfügen (Add) und Entfernen (Drop) von<br />
einigen wenigen optischen Wellenlängen, während die meisten Kanäle den TOADM<br />
ohne Beeinflussung passieren. Ein TOADM bietet sich als preisertere Alternative zu<br />
einem Demultiplex-Multiplex-Switch basierend auf einem rekonfigurierbaren optischen<br />
Add/Drop-Multiplexer an.<br />
Die Abstimmbarkeit eines TOADMs umfasst den Bereich zwischen zwei Wellenlängen.<br />
In optischen Netzen sind die Übertragungsbereiche von der ITU definiert. Es gibt<br />
sechs Wellenlängenbereiche. Das U-Band ist das Band mit den längsten<br />
Wellenlängen zwischen 1.625 nm und 1.675 nm.<br />
Ultra Long Haul (ULH) sind optische Verbindungen, die ohne Signal-Regeneration<br />
über hundert Kilometer reichen. Bei diesen Systemen sind die<br />
Kompensationsverfahren, ebenso wie die Vorwärts-Fehlerkorrektur (FEC) und die<br />
Verbindungskontrolle, wesentlich verbessert gegenüber den kürzeren<br />
Übertragungstechnologien.<br />
Die drei Hauptkategorien für<br />
Übertragungsstrecken<br />
54<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
VCSEL-Laser<br />
VCSEL,vertical cavity<br />
surface emitting laser<br />
VLH<br />
very long haul<br />
Wellenleiterdispersion<br />
(waveguide dispersion)<br />
55<br />
Die ITU spezifiziert den Ultra-Long-Haul-Bereich mit 160 km bei Wellenlängen von<br />
1.550 nm. Neben dieser optischen SDH-Schnittstelle hat die ITU weitere SDH-<br />
Schnittstellen für Short Haul (Kurzstrecken), Long Haul (Langstrecken) und sehr<br />
langen Strecken, Very Long Haul (VLH) definiert.<br />
VCSEL sind kleine Hochleistungslaser für die optische Übertragungstechnik. Sie<br />
zeichnen sich durch eine hohe Datenrate aus und benötigen einen relativ niedrigen<br />
Treiberstrom.<br />
VCSELs wurden für die High-Speed-Übertragung entwickelt, sie arbeiten in allen<br />
optischen Fenstern, bei 850 nm, 1.310 nm und 1.550 nm, haben eine geringe<br />
Strahldivergenz und eine einfache Faser-Einkopplung. Die Ausgangsleistung beträgt<br />
bei kontinuierlicher Strahlung über 1 mW. Mit VCSEL-Technik können vierkanalige<br />
Übertragungssysteme mit jeweils 10 Gbit/s, also insgesamt 40 Gbit/s über 300 m auf<br />
Multimodefasern realisiert werden.<br />
Der VCSEL-Laser selbst benötigt keine externe Optik, dadurch entfallen kritisch zu<br />
justierende Teile wie Einkoppler, was den Laser-Aufbau unempfindlich macht gegen<br />
mechanische Erschütterungen.<br />
VCSELs arbeiten auf einem Resonatorprinzip mit so genannten Bragg-Reflektoren,<br />
die bestimmte Wellenlängen reflektieren, andere hingegen absorbieren.<br />
Very Long Haul ist eine von der ITU definierte optische SDH-Schnittstelle für sehr weite<br />
Entfernungen. Die übertragbaren Entfernungen sind abhängig von der Wellenlänge<br />
und liegen bei 1.300 nm bei 60 km und bei 1.550 nm bei 120 km.<br />
Dispersionen wirken sich durch eine Verschlechterung der Gruppenlaufzeit und somit<br />
durch eine Verbreiterung der Impulse aus. Die Wellenleiterdispersion, oder auch<br />
Profildispersion, ist abhängig von der Konsistenz des LwL und der<br />
Einstrahlungsquelle. Selbst bei Ansteuerung mittels Laserdiode kann die<br />
Wellenleiterdispersion bei Monomodefasern und großen Entfernungen zum Problem<br />
werden.<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Wellenlänge<br />
(wavelength)<br />
Von der ITU definierte<br />
Wellenlängenbereiche für<br />
die optische Übertragung<br />
Unter der Wellenlänge<br />
versteht man den<br />
entfernungsmäßigen<br />
Abstand zwischen zwei<br />
gleichen, aufeinander<br />
folgenden<br />
Schwingungszügen<br />
einer periodischen<br />
Wellenbewegung. Die<br />
Wellenlänge ist<br />
abhängig von der<br />
Signalausbreitungsgeschwindigkeit.<br />
Die<br />
Wellenlänge wird mit<br />
dem griechischen<br />
Buchstaben Lambda bezeichnet und errechnet sich aus der Frequenz und der<br />
Geschwindigkeit, mit der die Welle übertragen wird. Dies ist durchaus unterschiedlich<br />
zwischen elektromagnetischen Wellen, die über Luft übertragen werden, elektrischen<br />
Wellen in elektrischen Kabeln, optischen Wellen in Lichtwellenleitern und<br />
Schallwellen, die über Luft übertragen werden.<br />
Bei der Lichtübertragung in optischen Netzen repräsentieren unterschiedliche<br />
Wellenlängen unterschiedliche, allerdings nicht sichtbare Farben.<br />
Die ITU hat für die Übertragung in optischen Netzen sechs Übertragungsbänder<br />
definiert.<br />
Es handelt sich dabei um das O-Band, E-Band, S-Band, C-Band, L-Band und U-Band<br />
im Wellenlängenbereich zwischen 1.260 nm und 1.675 nm. Ein weiteres<br />
Übertragungsband, das Multimedia-Band oder 850-nm-Band, ist nicht von der ITU<br />
definiert wird allerdings von IEEE für Gigabit-Ethernet vorgegeben, liegt im ersten<br />
optischen Fenster bei 850 nm.<br />
56<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
Wellenlängen-Konverter<br />
(wavelength converter)<br />
Wellenlängen-Switching<br />
(wavelength switching)<br />
Wellenlängenmultiplex<br />
(WDM, wavelength<br />
division multiplexing)<br />
57<br />
Ein Wellenlängen-Konverter ist eine Komponente in optischen Netzen, bei der das<br />
Lichtsignal einer bestimmten Wellenlänge in eine andere Wellenlänge umgesetzt wird.<br />
Wie bei der Mischung von HF-Signalen nutzt man beim Wellenlängen-Konverter die<br />
Nichtlinearität eines Laser-Verstärkers um die optischen Signale in ein anderes<br />
optisches Wellenspektrum zu transformieren. Das am Eingang anstehende optische<br />
Signal oder auch ganze Wellenlängenbänder werden im optischen Umsetzer mit einer<br />
Mischfrequenz gemischt und damit in ein anderes Wellenlängenband übertragen.<br />
Bei der Wellenlängen-Konversion nutzt man drei verschiedene Verfahren: Die Cross<br />
Phase Modulation (XPM), die Cross Gain Modulation (XGM) und die Vierwellen-<br />
Mischung (FWM). Neben den erwähnten Verfahren gibt es auch die der optischelektrisch-optischen<br />
Umsetzung in Verbindung mit einer 3R-Regeneration.<br />
Das Wellenlängen-Switching, auch als Lambda-Switching oder Photonic-Switching<br />
bezeichnet, ist eine Schlüsseltechnik für die Vermittlungstechniken in optischen<br />
Transportnetzen (OTN) und damit auch in Carrier-Ethernet. Weitere sind das Sub-<br />
Wellenlängen-Switching und das Ethernet-Tunnel-Switching.<br />
Mit dem Wellenlängen-Switching können einzelne Wellenlängen eines eingehenden<br />
Lichtwellenleiters auf mehrere andere Wellenlängen eines ausgehenden<br />
Lichtwellenleiters geschaltet werden. In Verbindung mit der DWDM-Technik, mit der<br />
der Lichtstrahl in über 100 separate Wellenlängen aufgeteilt werden kann, wird mit<br />
dem Lambda-Switching ein virtueller Lichtpfad aufgebaut, vergleichbar einer virtuellen<br />
Verbindung. Lambda-Switching entspricht als Routingtechnik dem traditionellen<br />
Routing und Switching. Die Lambda-Router sind die Knoten an den<br />
Verbindungspunkten und werden durch die optischen Crossconnect (OXC) oder<br />
optische Add/Drop-Multiplexer (OADM) gebildet.<br />
WDM ist eine LwL-Multiplextechnik, die zu einer besseren Ausnutzung der<br />
Lichtwellenleiter-Kapazität führt. Bei der WDM-Technik werden unterschiedliche<br />
Lichtwellenlängen zur parallelen Übertragung von mehreren Signalen genutzt. An<br />
Wellenlängen können die optischen Fenster bei 850 nm, 1.300 nm und 1.550 nm für<br />
<strong>ITWissen</strong>.<strong>info</strong>
<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
WDM-System<br />
58<br />
die Übertragung<br />
genutzt werden.<br />
Allerdings wird in der<br />
Praxis das optische<br />
Fenster bei einer<br />
Wellenlänge von<br />
1.550 nm genutzt, in<br />
dem<br />
verschiedenfarbige<br />
Lichtsignale<br />
übertragen werden. Diese optische Mehrkanaligkeit, die immer ein Vielfaches von zwei<br />
hat, also 2 Kanäle, 4, 8, 16, 32, 64 usw. wird durch einen minimalen<br />
Sicherheitsabstand zwischen den einzelnen Wellenlängen erreicht. So sind auf<br />
konventionellen Glasfasern Übertragungsraten von 10 Gbit/s bei einem<br />
Frequenzabstand von 50 GHz technisch realisierbar. Die gleichzeitige Übertragung<br />
kann sowohl in einer Übertragungsrichtung erfolgen, aber auch in entgegengesetzten<br />
Richtungen.<br />
Dem Prinzip nach wird jedes zu übertragende Signal einer Lichtfrequenz aufmoduliert.<br />
So können bei der Benutzung von beispielsweise drei Lichtfrequenzen gleichzeitig<br />
drei Signale übertragen werden.<br />
Das optische Koppelelement, der Wellenlängen-Multiplexer, bündelt die<br />
verschiedenen Lichtwellenlängen und überträgt den gesamten Lichtstrom, der alle<br />
diskreten Wellenlängen enthält, über einen Lichtwellenleiter zum Empfangsort, wo er<br />
mittels Filtertechniken in die einzelnen Kanäle separiert wird.<br />
Die WDM-Technik, die in optischen Kernnetzen und im Anschlussbereich mit PON<br />
oder APON, eingesetzt wird, wurde von der ITU für diese Anwendungen in den<br />
Spezifikationen erweitert (ITU G.983.3). Dafür wurde dem Downstream-Bereich neben<br />
dem Wellenlängenbereich zwischen 1.480 nm und 1.500 nm ein weiteres<br />
Wellenlängenband zwischen 1.539 nm und 1.565 nm für Video-Übertragungen<br />
hinzugefügt.<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
WIXC, wavelength<br />
interchange crossconnect<br />
WSXC, wavelength<br />
selective cross-connect<br />
WWDM<br />
wide wavelength division<br />
multiplex<br />
WWDM-Verfahren<br />
XGM<br />
cross gain modulation<br />
59<br />
Die DWDM-Technik erlaubt in den verschiedenen Verfahren - CWDM, DWDM,<br />
NWDM, WWDM - Übertragungsraten bis in den Terabit-Bereich.<br />
Bei fester Übertragungsgeschwindigkeit (z.B. Lichtgeschwindigkeit c) stimmt WDM mit<br />
Frequenzmultiplex (FDM) überein, weil c = f ist.<br />
Der WIXC erfüllt die Funktion des WSXC und die eines Wellenlängen-Konverters.<br />
Jede Eingangs-Wellenlänge kann in eine andere Ausgangs-Wellenlänge konvertiert<br />
und auf auf jede angeschlossene Glasfaser geschaltet werden.<br />
So kann beispielsweise die Wellenlänge 1 von der Faser 1 in Wellenlänge 5<br />
konvertiert werden und auf Faser 2 geschaltet werden.<br />
Ein WSXC arbeitet intern als Wellenlängenmultiplex und kann einzelne Wellenlängen<br />
von einem Lichtwellenleiter auf andere schalten. So beispielsweise die Wellenlänge 2<br />
von der eingehenden Glasfaser 2 auf die ausgehende Glasfaser 3, oder die<br />
Wellenlänge 4 von LwL 1 auf den ausgehenden LwL 5. Ein solcher Crossconnect wird<br />
in vermaschten Netzstrukturen in Gebäuden eingesetzt, aber auch zur Verbindung<br />
von Mehrfach-WDM-Ringen. Dabei findet keine Wellenlängen-Konvertierung statt, die<br />
gleiche Wellenlänge wird in beiden miteinander verbundenen Ringen benutzt.<br />
Wellenlängenmultiplex zur Erhöhung der Übertragungskapazität von<br />
Lichtwellenleitern. Das WWDM-Verfahren arbeitet im Gegensatz zum CWDM-<br />
Verfahren im zweiten optischen Fenster und wurde im Rahmen der 10-Gigabit-<br />
Ethernet-Standardisierung, 10GbE, diskutiert.<br />
Die Kanalabstände von WWDM betragen 50 nm und mehr; zur Übertragung werden<br />
die optischen Fenster von 1.300 nm und 1.550 nm benutzt.<br />
Bei der Cross Gain Modulation (XGM), einem Verfahren für die<br />
Wellenlängenkonvertierung von Lasersignalen, wird die Konvertierung durch<br />
Kreuzverstärkungen erzielt, wobei der Wellenlängenversatz bei der so genannten<br />
CSS-Modulation von der Qualität des Mischungssignals abhängt.<br />
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<strong>OPTISCHE</strong><br />
<strong>NETZE</strong><br />
XPM<br />
cross phase modulation<br />
Zweiwellen-Mischung<br />
two wave mixing<br />
Die Cross Phase Modulation (CPM) ist eines von mehreren Verfahren für die<br />
Wellenlängenkonvertierung. Dieses Verfahren nutzt einen SOA-basierten Mach-<br />
Zehnder-Interferometer und moduliert eingehende Trägerfrequenzen in der<br />
Phasenlage. Das Mach-Zehnder-Interferometer konvertiert diese Phasenmodulation in<br />
eine Amplitudenmodulation.<br />
Die Zweiwellen-Mischung ist ein Verfahren zur Lichtverstärkung. Dieses Verfahren<br />
basiert auf Lichtbrechung, die vom Brechungsindex des Kristalls abhängt. Lichtsignale<br />
mit entgegengesetzter Phasenlage kompensieren sich gegenseitig oder löschen sich<br />
sogar aus, Lichtsignale mit gleicher Phasenlage verstärken sich gegenseitig, wobei<br />
das eine Lichtsignal Energie an das andere Lichtsignal abgibt. Wird die Information<br />
auf den verstärkten Lichtstrahl aufmoduliert, wird diese ebenfalls verstärkt.<br />
60<br />
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